光频标技术 | 应用物理前沿推介系列No.2

Original 房芳中国物理学会 2023-03-11

收录于合集 #前沿推介 8个

前言

为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。

中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。

✦ +

本期推介

光频标技术

研究意义与研究价值

自20世纪末以来，超稳激光、光频梳技术及冷原子/离子操控技术飞速发展，推进了冷原子光晶格钟/单离子光钟的指标不断提升。高准确度光学频率标准及其频率比值测量在时间频率计量、卫星导航、基础研究等领域有着不可替代的应用。目前，光钟的不确定度指标已经超过了最好的直接复现秒定义的铯原子喷泉钟两个数量级以上，国际计量委员会时间频率咨询委员会（CCTF）提出了用光频跃迁重新定义秒的议题，并开始制定了秒定义变更的路线图。

目前世界上有多个国家的研究机构同时开展多种原子/离子体系的光钟研究，均取得了良好的进展。在单离子光钟方面，美国NIST的David J. Wineland小组创立了基于量子逻辑的铝离子光钟，2019年不确定度评定达到了9.4E-19[1]，是国际上第一台不确定度进入E-19量级的光钟。NIST实验室的镱原子光晶格钟不确定度达到1.4E-18[2]。同时，国际上有少部分机构的光钟进入到E-18量级。中国计量科学研究院研制的Sr原子光晶格钟的不确定度指标达到了7.2E-18[3]。中科院精测院的Ca+光钟不确定度达到了3.0E-18[4]，并参与了国际频率推荐值的计算。

图1 计量院Sr光晶格钟和中科院精测院Ca+光钟

光钟包括量子参考系统、锁定控制系统和探测钟激光系统，需要多束不同频率的激光对原子/离子进行冷却和：量子态操控。由于光钟的频率高出微波钟频率4-5个数量级，因此具有更高的稳定度和不确定度指标。经过20多年发展，尤其是可调谐激光器、光频梳和超稳激光技术的发展，光钟的技术日趋成熟，已经开始了工程化和商品化研究。目前，锁定在低温硅腔的超稳激光秒稳已经进入E-17的量级，魔术波长、Hyper-Ramsey技术、黑体屏蔽罩等一系列理论技术的发展进一步降低系统不确定度，使得光频跃迁有望在未来成为新的秒定义，利用光钟驾驭原子时标，甚至直接作为守时钟使用。

研究现状及国内外进展

目前，光钟主要分为中性原子光晶格钟和单离子光钟2种。国际推荐秒的次级表示中有10个光频跃迁，包括：87Sr、88Sr、171Yb、Hg中性原子和Al+、171Yb+(E2和E3）、Hg+、Sr+、Ca+离子光频跃迁。以下将着重介绍这两种光钟的情况：

光晶格钟：

光晶格钟一般通过磁光阱俘获冷原子，将原子进一步冷却到µK量级后将几千到几万个中性冷原子囚禁在光晶格，然后通过钟激光对原子跃迁频率进行测量。影响光晶格钟跃迁频率的物理因素包括晶格光引进的光频移，一般将频率调到魔术波长降低此项影响。同时，钟频率还会受到冷原子碰撞、黑体辐射等因素影响。

美国JILA叶军团队研制的Sr原子光晶格钟不确定度达到了2.0E-18[5]，稳定度达到了4.8E-17/√τ。日本东京大学的Katori小组报导了基于低温环境的锶原子光晶格钟，不达到了3.5E-18，同时开展了小型化可搬运的研究。国内中国计量科学研究院最早开始了Sr原子光晶格钟的研究，目前不确定度已经达到7.2E-18。中科院授时中心和中科大都相继开展了Sr光钟及空间站/星载Sr光钟的研究并取得了较好的进展。

离子光钟：

离子光钟主要分为可直接冷却的单离子光钟(Yb+, Sr+, Ca+)和需要协同冷却的Al+离子光钟。离子光钟可采用四级杆Paul阱、环帽Paul阱或者端帽Paul阱将离子囚禁在RF势阱中心。目前，越来越多的研究组开始使用芯片阱囚禁离子。通过激光冷却，将离子冷却至mK甚至亚mK的温度，然后通过钟激光对离子跃迁频率进行测量。离子光钟的不确定度主要受限于微运动，因此不确定度指标容易做到更高，且物理系统和光学系统都更简单，便于工程化。但单离子的信噪比差，稳定度相较于中性原子光钟更差些。

国外从上世纪七十年代末就开始研究。铝离子、镱离子、钙离子等具有超窄的光频跃迁，不易受外界电磁场干扰，适合于建立光钟。美国NIST的David J. Wineland小组创立了基于量子逻辑的铝离子光钟，在2019年达到了9.4E-19，是国际上第一台不确定度进入E-19量级的光钟，成为目前世界上最准确的原子钟。2019年，德国PTB研制的镱离子光钟的不确定度达到2.7E-18[6]。国内中科院精密测量院研制的钙离子光钟不确定度达到了3E-18。

难点和挑战

目前，光钟的不确定度指标已经超越了微波频标性能两个量级，但是仍然具有进一步提升的潜力，需要在以下几个方面进一步提高：

光钟稳定度指标的提升

光钟的稳定度基于钟激光的稳定度，而钟激光的频率参考为超稳腔，其热噪声极限是目前光钟短期稳定度的限制。超稳腔的热噪声来自于制作超稳腔腔体、腔镜和高反射率镀膜材料分子的热运动。为了降低热噪声、提高光频标的稳定度，需要选用低热噪声的材料并把超稳腔放置在低温环境中，并找到适合制作超高反射率镀膜的新型材料和新工艺[7-8] 。

光钟不确定度指标的提升

目前，限制光晶格钟不确定度指标的因素包括光晶格斯塔克频移和碰撞频移等，限制离子光钟不确定度的因素包含离子微运动和塞曼效应等，需要在后续的研究中，紧密结合理论研究和实验研究，进一步降低外界因素对原子/离子参考体系的影响[9-10]。

光钟运行率的提升

相对于以前的微波原子钟，光钟的复杂度大大增加，建立高可靠长期运行的光钟对工程化来说具有极强的挑战性。需要通过系统的工程化研究，建立高可靠的光钟运行系统，实现重要的参数的实时监测、自动优化、远程调试、自主锁定等，实现无需人工参与的自主运行。

全光时标的实现

国际秒定义变革即将到来，在秒定义变为以光钟为基础后，守时系统也将向全光守时转变。在光频守时钟方面，国际上有一些初步方案，但是还没有非常确定的方案，仍处于摸索期。我国可以在这个方向上投入力量，为全光时标的实现做出贡献[11]。

推介理由

光钟有潜力达到非常高的准确度，能够用于测量我们本来认为不随时间变化的基本物理常数的微小变化，同时其超高分辨率的时频精密测量能力也将对引力波探测、暗物质探测等基础物理研究产生重要影响。高准确的时间频率系统是卫星导航的基础，高准确度光钟能有效的保障卫星导航系统的定位精度。光钟是下一代时间频率体系的源头，支持时间频率体系作为国家的基础设施和战略资源，在提高自主创新水平、推动经济社会发展、建设国防现代化、增强国家综合国力等方面成为重要的科学技术保证和战略支撑。

推介人

房芳研究员，中国计量科学研究院时频所所长。目前主要从事冷原子喷泉钟、超稳微波及基准钟相关科学研究。

参考文献

1. S. M. Brewer, J.-S. Chen, A. M. Hankin, E. R. Clements, C. W. Chou, D. J. Wineland, D. B. Hume, D. R. Leibrandt, 27^Al+ Quantum-Logic Clock with a Systematic Uncertainty below 10-18. Phys. Rev. Lett. 123, 033201 (2019)

2. W. F. McGrew, X. Zhang, R. J. Fasano, S. A. Schaffer, K. Beloy, D. Nicolodi, R. C. Brown, N. Hinkley, G. Milani, M. Schioppo, T. H. Yoon, and A. D. Ludlow, “Atomic clock performance enabling geodesy below the centimetre level,” Nature, vol. 564, no. 7734, pp. 87–90, 2018.

3. B.-K. Lu, Z. Sun, T. Yang, Y.-G. Lin, Q. Wang, Y. Li, F. Meng, B.-K. Lin, T.-C. Li, Z.-J. Fang, Improved Evaluation of BBR and Collisional Frequency Shifts of NIM-Sr2 with 7.2 × 10 −18 Total Uncertainty. Chinese Phys. Lett. 39, 080601 (2022).

4. Y. Huang, B. Zhang, M. Zeng, Y. Hao, H. Zhang, H. Guan, Z. Chen, M. Wang, and K. Gao, “A liquid nitrogen-cooled Ca+ optical clock with systematic uncertainty of 3x10-18,” Physical Review Applied[J]. 2022, 17: 034041(1)-034041(11)

5. T. Bothwell, D. Kedar, E. Oelker, J. M. Robinson, S. L. Bromley, W. L. Tew, J. Ye, and C. J. Kennedy, “JILA SrI optical lattice clock with uncertainty of 2.0×10-18,” Metrologia, vol. 56, no. 6, p. 065004, 2019.

6. C. Sanner, N. Huntemann, R. Lange, C. Tamm, E. Peik, M. S. Safronova, and S. G. Porsev, “Optical clock comparison for Lorentz symmetry testing,” Nature, vol. 567, no. 7747, pp. 204–208, 2019.

7. G. Matei, T. Legero, S. Häfner, C. Grebing, R. Weyrich, W. Zhang, L. Sonderhouse, J. M. Robinson, J. Ye, F. Riehle, U. Sterr, 1.5μm lasers with sub 10 mHz linewidth. Physical Review Letters. 118, 263202 (2017).

8. G. D. Cole, W. Zhang, M. J. Martin, J. Ye, M. Aspelmeyer, Tenfold reduction of Brownian noise in high-reflectivity optical coatings. Nature Photonics. 7, 644–650 (2013).

9. T. Bothwell, D. Kedar, E. Oelker, J. M. Robinson, S. L. Bromley, W. L. Tew, J. Ye, C. J. Kennedy, JILA SrI optical lattice clock with uncertainty of 2.0×10-18. Metrologia. 56, 065004 (2019).

10. S. M. Brewer, J.-S. Chen, A. M. Hankin, E. R. Clements, C. W. Chou, D. J. Wineland, D. B. Hume, D. R. Leibrandt, 27^Al+ Quantum-Logic Clock with a Systematic Uncertainty below 10-18. Phys. Rev. Lett. 123, 033201 (2019)

11. W. R. Milner, J. M. Robinson, C. J. Kennedy, T. Bothwell, D. Kedar, D. G. Matei, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, H. Leopardi, T. M. Fortier, J. A. Sherman, J. Levine, J. Yao, J. Ye, E. Oelker, Demonstration of a Timescale Based on a Stable Optical Carrier. Phys. Rev. Lett. 123, 173201 (2019).

中国物理学会

应用物理前沿推介委员会

主任：吴义政，复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元