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科學視點

精密測量院高離化態離子(HCI)精密光譜研究取得進展

  光頻標是目前精度最高的原子頻標,是驗證基本物理規律和探索新物理的重要工具之一。冷原子/離子光頻標已達到10-18量級的不確定度和穩定度。利用這樣的光頻標已高精度地檢驗引力紅移、洛倫茲不變性和檢驗精細結構常數是否隨時間變化等??蒲腥藛T在理論上提出高離化態離子(HCI)適合研制不確定度達到10-19甚至更低的光頻標,應用于更高精度檢驗基本物理規律,尋找超越標準模型的新物理。2015年,德國馬克斯-普朗克研究所Crespo López-Urrutia研究組和德國聯邦物理技術研究院Schmidt研究組合作,開展了基于Ar13+的HCI光鐘的研究,已實現Ar13+的邏輯光譜探測。然而,國際上,HCI光鐘相關的研究仍處于起步階段,原子譜線數據庫中高精度的HCI離子相關數據仍存在部分缺失,HCI光鐘相關的部分技術尚未成熟。因此,探尋HCI光鐘的優選體系/對象和搭建HCI光鐘的實驗平臺是精密測量物理領域中理論和實驗的前沿課題。

  中國科學院精密測量科學與技術創新研究院開展了HCI光鐘的理論和實驗研究。精密測量院囚禁離子物理研究團隊同復旦大學研究團隊合作,于2019年研制出一臺小型高溫超導電子束離子阱(SW-EBIT)。測試結果表明,該EBIT具備產生并引出HCI離子能力,可以作為HCI光鐘所需的離子源(Review of Scientific Instruments)。在此基礎上,精密測量院囚禁離子物理組和外場理論組,聯合加拿大新不倫瑞克大學教授嚴宗朝、美國內華達大學教授Andrei Derevianko,在理論上詳細計算了Ni不同價態HCI離子的原子結構參數,分析得出61Ni11+、61Ni12+、61Ni14+61Ni15+離子中的4條磁偶極(M1)和2條電四極(E2)光學躍遷非常適合研制新一代光鐘。實驗上,基于SW-EBIT制備了這些離子,并首次使用共軛的觀測與??坦鈱W系統直接或間接測量了其中4條M1躍遷和1條E2躍遷的波長。其波長測量值的不確定度比NIST推薦值小1-2個量級,其中2條M1躍遷為首次在實驗室環境被直接觀測到。該研究結合高精度原子結構理論計算和高精度離子光譜實驗測量,首次在單一元素中提出了多個HCI光鐘候選體系,豐富了實驗對象的選擇。為后續研究工作中的HCI離子減速、協同冷卻和量子邏輯光譜探測打下了堅實的基礎。同時,該工作也為天體物理和等離子物理提供了更高效、更精確的發射熒光光譜測量方案和可靠的觀測數據(Physical Review A)。

  研究工作得到中科院戰略性先導科技專項(B類)和國家自然科學基金委重點項目的資助。


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