Nature：新型光学原子钟！
学研汇 技术中心
2022-11-11
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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
研究背景
光学原子钟是最精确的设备，其不确定性约为1018分之一。它们既用作频率标准，也用于探测基本物理，在基础科学和技术中有许多应用。到目前为止，这些原子钟只使用中性或单电荷原子，而不涉及高电荷离子（HCIs）。与单电荷离子或中性原子相比，高电荷离子（HCI）的极端原子特性以及对外部电场和磁场扰动的敏感性降低，因此，长期以来高电荷离子一直是作为高精度时钟和基础物理精密测试的新参考类别的理想候选。
关键问题
虽然高电荷离子光学原子钟性能优异，但仍存在以下问题：2、HCI中光学跃迁测量与光学钟相比仍存在10个数量级的不确定性差距HCI中光学跃迁的最精确测量依赖于HCI产生和捕获的电子束离子阱（EBIT）。受限于EBITs中捕获的HCI的高温（T>105 K），即使是最精确的实验，仍与光学时钟存在极大的不确定性差距。
新思路
有鉴于此，德国联邦物理技术局Piet O. Schmidt等人基于Ar13+中的光磁偶极子跃迁来实现基于高电荷离子的新型时钟。其综合评估的系统频率不确定度为2.2×10−17，与运行中的许多光学时钟的性能相当。通过时钟比较，将绝对跃迁频率和同位素位移（40Ar对36Ar）的不确定性分别提高了八个和九个数量级。这些测量使得研究基本上未经探索的量子电动力学（QED）核反冲成为现实，这是改进的同位素位移计算的一部分，将先前理论的不确定性降低了三倍。这项工作建立了HCI中禁止的光学跃迁，是作为尖端光学时钟和未来超标准模型物理高灵敏度搜索的重要参考。
技术方案：
作者利用小型EBIT中产生HCI，通过局部参考腔和一个光频率梳通过频率控制声光调制器对其进行预稳定，实现了光学时钟的运行。总结了Ar13+时钟跃迁的主要系统频移及其不确定性，以及绝对跃迁频率测量产生的不确定性，证实了光学时钟的可行性。作者重复测试了Ar13+和171Yb+E3跃迁频率之间的比率，证实了该装置具有极高的稳定性和极低的不确定度，与已报道数据相比具有高精度。
技术优势：
1、首次证明了基于高电荷离子的光学钟
本工作结果为极为精确的高电荷离子钟铺平了道路，它可以应用于计时和基础物理的进一步探索。
2、获得了2.2×10-17的不确定度
基于Ar13+中的光磁偶极子跃迁实现了基于高电荷离子的新型时钟，其综合评估的系统频率不确定度为2.2×10-17，与运行的光学时钟相当。
3、将理论不确定性降低了三倍
通过时钟比较，将绝对跃迁频率和同位素位移（40Ar对36Ar）不确定度分别提高了8个和9个数量级。这些精准测量，在很大程度上，可用于尚待探索的量子电动力学，QED核反冲，并提升同位素位移计算。
技术细节
实验装置
HCI在小型EBIT中产生，并通过电动束线转移到保持在4K附近的线性Paul阱，制备了由单个Ar13+和单个9Be+离子组成的双离子晶体。基于波长为882nm的外腔二极管激光器用于检测Ar13+时钟转变的光。用一个局部参考腔和一个光频率梳通过频率控制声光调制器（AOM）对其进行预稳定。通过调整频率梳和预稳定激光器之间的偏移来生成时钟输出。使用QLS将HCI的内部状态信息映射到使用快速循环转换检测到的逻辑离子Be+上。除了主要的40Ar同位素，还能够用稀有的36Ar同位素运行时钟。
频率测量
该系统中的主要系统位移是由离子阱径向限制电位频率下的残余驱动运动引起的，称为过度微运动，这导致相对于实验室框架的时间膨胀。HCI的大电荷状态仅取决于离子在限制电势中的长期频率，选择与用于单电荷离子的频率相似。改进的离子阱将把这种不确定性降低到10−18。在操作条件下，所有其他研究的系统位移的不确定性，包括残余热运动引起的时间膨胀位移、从激发的2P3/2时钟态耦合的电四极矩到电场梯度和高阶磁场位移的位移，甚至更小。作为Ar13+时钟频率的参考，作者使用光学时钟测量了基于171Yb+中的2S1/2→2F7/2的跃迁同样取得了较小的不确定度和较高的稳定性。作者总结了Ar13+时钟跃迁的主要系统频移及其不确定性，以及绝对跃迁频率测量产生的不确定性。
同位素跃迁频率之比的稳定性测量
作者在几天内重复测试了Ar13+和171Yb+E3跃迁频率之间的比率，40Ar13+的总测量时间约为100000s，36Ar13+为50000s。结果没有观察到频率不稳定性的下限，平均时间超过10000秒。将观测到的不稳定性外推到总测量时间得到了1×10-16的分数统计不确定度。最终得到的跃迁频率与最新公布的测量值非常一致，超过其精度近八个数量级。该结果证实了之前唯一的测量，但不确定性几乎低了九个数量级。这种新达到的不确定性水平允许对原子结构计算的预测进行基准测试。此外，作者首次验证了多电子系统中QED核反冲效应。图 40Ar13+和171Yb+跃迁频率之比的不稳定性
展望
总之，作者首次展示了基于高电荷离子的光学原子钟的操作和评估。所获得的性能证实了HCI在光学时钟的适用性。通过选择具有更长激发态寿命的HCI物种，如Ni12+、Pd12+或Pr9+，可以大大改善HCI时钟的频率不稳定性，这将允许基于HCI的时钟与现有最佳光学原子钟竞争。在这项工作之后，光学时钟跃迁的同位素位移测量现在可以扩展到同一元素的不同电荷状态。这里演示的HCI时钟和其他光学时钟之间的频率比较也可用于寻找标准模型物理之外的东西。在所有已知的原子系统中，HCI光学时钟跃迁对精细结构常数和超轻标量暗物质的变化具有最大的已知灵敏度。
参考文献：
https://doi.org/10.1038/d41586-022-03329-9
King, S.A., Spieß, L.J., Micke, P. et al. An optical atomic clock based on a highly charged ion. Nature 611, 43–47 (2022).
DOI：10.1038/s41586-022-05245-4
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05245-4
