特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
研究背景
光學(xué)原子鐘是最精確的設(shè)備，其不確定性約為1018分之一。它們既用作頻率標(biāo)準(zhǔn)，也用于探測基本物理，在基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)中有許多應(yīng)用。到目前為止，這些原子鐘只使用中性或單電荷原子，而不涉及高電荷離子（HCIs）。與單電荷離子或中性原子相比，高電荷離子（HCI）的極端原子特性以及對外部電場和磁場擾動的敏感性降低，因此，長期以來高電荷離子一直是作為高精度時鐘和基礎(chǔ)物理精密測試的新參考類別的理想候選。
關(guān)鍵問題
雖然高電荷離子光學(xué)原子鐘性能優(yōu)異，但仍存在以下問題：1、目前尚未實現(xiàn)基于高離子電荷的光學(xué)原子鐘HCIs光學(xué)鐘還只是理論上可行，尚未得到證實。2、HCI中光學(xué)躍遷測量與光學(xué)鐘相比仍存在10個數(shù)量級的不確定性差距HCI中光學(xué)躍遷的最精確測量依賴于HCI產(chǎn)生和捕獲的電子束離子阱（EBIT）。受限于EBITs中捕獲的HCI的高溫（T>105 K），即使是最精確的實驗，仍與光學(xué)時鐘存在極大的不確定性差距。
新思路
有鑒于此，德國聯(lián)邦物理技術(shù)局Piet O. Schmidt等人基于Ar13+中的光磁偶極子躍遷來實現(xiàn)基于高電荷離子的新型時鐘。其綜合評估的系統(tǒng)頻率不確定度為2.2×10?17，與運(yùn)行中的許多光學(xué)時鐘的性能相當(dāng)。通過時鐘比較，將絕對躍遷頻率和同位素位移（40Ar對36Ar）的不確定性分別提高了八個和九個數(shù)量級。這些測量使得研究基本上未經(jīng)探索的量子電動力學(xué)（QED）核反沖成為現(xiàn)實，這是改進(jìn)的同位素位移計算的一部分，將先前理論的不確定性降低了三倍。這項工作建立了HCI中禁止的光學(xué)躍遷，是作為尖端光學(xué)時鐘和未來超標(biāo)準(zhǔn)模型物理高靈敏度搜索的重要參考。
技術(shù)方案：
作者利用小型EBIT中產(chǎn)生HCI，通過局部參考腔和一個光頻率梳通過頻率控制聲光調(diào)制器對其進(jìn)行預(yù)穩(wěn)定，實現(xiàn)了光學(xué)時鐘的運(yùn)行。總結(jié)了Ar13+時鐘躍遷的主要系統(tǒng)頻移及其不確定性，以及絕對躍遷頻率測量產(chǎn)生的不確定性，證實了光學(xué)時鐘的可行性。3、測試了該裝置的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性作者重復(fù)測試了Ar13+和171Yb+E3躍遷頻率之間的比率，證實了該裝置具有極高的穩(wěn)定性和極低的不確定度，與已報道數(shù)據(jù)相比具有高精度。
技術(shù)優(yōu)勢：
1、首次證明了基于高電荷離子的光學(xué)鐘
本工作結(jié)果為極為精確的高電荷離子鐘鋪平了道路，它可以應(yīng)用于計時和基礎(chǔ)物理的進(jìn)一步探索。
2、獲得了2.2×10-17的不確定度
基于Ar13+中的光磁偶極子躍遷實現(xiàn)了基于高電荷離子的新型時鐘，其綜合評估的系統(tǒng)頻率不確定度為2.2×10-17，與運(yùn)行的光學(xué)時鐘相當(dāng)。
3、將理論不確定性降低了三倍
通過時鐘比較，將絕對躍遷頻率和同位素位移（40Ar對36Ar）不確定度分別提高了8個和9個數(shù)量級。這些精準(zhǔn)測量，在很大程度上，可用于尚待探索的量子電動力學(xué)，QED核反沖，并提升同位素位移計算。
技術(shù)細(xì)節(jié)
實驗裝置
HCI在小型EBIT中產(chǎn)生，并通過電動束線轉(zhuǎn)移到保持在4K附近的線性Paul阱，制備了由單個Ar13+和單個9Be+離子組成的雙離子晶體。基于波長為882nm的外腔二極管激光器用于檢測Ar13+時鐘轉(zhuǎn)變的光。用一個局部參考腔和一個光頻率梳通過頻率控制聲光調(diào)制器（AOM）對其進(jìn)行預(yù)穩(wěn)定。通過調(diào)整頻率梳和預(yù)穩(wěn)定激光器之間的偏移來生成時鐘輸出。使用QLS將HCI的內(nèi)部狀態(tài)信息映射到使用快速循環(huán)轉(zhuǎn)換檢測到的邏輯離子Be+上。除了主要的40Ar同位素，還能夠用稀有的36Ar同位素運(yùn)行時鐘。
頻率測量
該系統(tǒng)中的主要系統(tǒng)位移是由離子阱徑向限制電位頻率下的殘余驅(qū)動運(yùn)動引起的，稱為過度微運(yùn)動，這導(dǎo)致相對于實驗室框架的時間膨脹。HCI的大電荷狀態(tài)僅取決于離子在限制電勢中的長期頻率，選擇與用于單電荷離子的頻率相似。改進(jìn)的離子阱將把這種不確定性降低到10?18。在操作條件下，所有其他研究的系統(tǒng)位移的不確定性，包括殘余熱運(yùn)動引起的時間膨脹位移、從激發(fā)的2P3/2時鐘態(tài)耦合的電四極矩到電場梯度和高階磁場位移的位移，甚至更小。作為Ar13+時鐘頻率的參考，作者使用光學(xué)時鐘測量了基于171Yb+中的2S1/2→2F7/2的躍遷同樣取得了較小的不確定度和較高的穩(wěn)定性。作者總結(jié)了Ar13+時鐘躍遷的主要系統(tǒng)頻移及其不確定性，以及絕對躍遷頻率測量產(chǎn)生的不確定性。
同位素躍遷頻率之比的穩(wěn)定性測量
作者在幾天內(nèi)重復(fù)測試了Ar13+和171Yb+E3躍遷頻率之間的比率，40Ar13+的總測量時間約為100000s，36Ar13+為50000s。結(jié)果沒有觀察到頻率不穩(wěn)定性的下限，平均時間超過10000秒。將觀測到的不穩(wěn)定性外推到總測量時間得到了1×10-16的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計不確定度。最終得到的躍遷頻率與最新公布的測量值非常一致，超過其精度近八個數(shù)量級。該結(jié)果證實了之前唯一的測量，但不確定性幾乎低了九個數(shù)量級。這種新達(dá)到的不確定性水平允許對原子結(jié)構(gòu)計算的預(yù)測進(jìn)行基準(zhǔn)測試。此外，作者首次驗證了多電子系統(tǒng)中QED核反沖效應(yīng)。圖 40Ar13+和171Yb+躍遷頻率之比的不穩(wěn)定性
展望
總之，作者首次展示了基于高電荷離子的光學(xué)原子鐘的操作和評估。所獲得的性能證實了HCI在光學(xué)時鐘的適用性。通過選擇具有更長激發(fā)態(tài)壽命的HCI物種，如Ni12+、Pd12+或Pr9+，可以大大改善HCI時鐘的頻率不穩(wěn)定性，這將允許基于HCI的時鐘與現(xiàn)有最佳光學(xué)原子鐘競爭。在這項工作之后，光學(xué)時鐘躍遷的同位素位移測量現(xiàn)在可以擴(kuò)展到同一元素的不同電荷狀態(tài)。這里演示的HCI時鐘和其他光學(xué)時鐘之間的頻率比較也可用于尋找標(biāo)準(zhǔn)模型物理之外的東西。在所有已知的原子系統(tǒng)中，HCI光學(xué)時鐘躍遷對精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和超輕標(biāo)量暗物質(zhì)的變化具有最大的已知靈敏度。
參考文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.1038/d41586-022-03329-9
King, S.A., Spie?, 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
