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华东师大徐信业课题组冷镱原子光钟成功向国际计量委员会报数

2021年02月15日

　　华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室徐信业课题组实现了对冷镱原子光钟的绝对频率的精确测量，相关数据已上报国际计量委员会，并于近期被成功采纳。这是我国首次向国际组织成功上报镱原子绝对频率数据，对我国在下一轮国际单位“秒”定义修改过程中争得话语权具有重要意义。相关成果已发表于国际学术期刊Metrologia上（Metrologia 2020,57,065017)，得到了审稿人的积极评价：“他们的测量值与国际计量委员会所认可的作为国际单位‘秒’二级定义的中性镱原子的推荐值吻合得很好”。该工作以华东师大为第一单位，与中国计量科学研究院等单位合作完成；骆莉梦博士生为论文第一作者，徐信业教授、梁坤研究员和周敏专任副研究员为论文共同通讯作者。

　　精密测量是现代科学技术发展的基础，其中频率测量具有最高的测量精度，决定着其它许多物理量和物理常数的准确度。现行频率标准的制定都是基于微波原子钟，与其相比，冷原子光钟在频率精度上有3-5个数量级的理论提升空间，因此具有更大的发展潜力。经过多年的发展，光钟各项性能指标基本全面优于最好的微波原子钟，已有望成为下一代时间频率标准并用于重新定义国际单位“秒”。

　　自2006年以来，徐信业课题组一直致力于研究可应用在计量、通信和精密测量等领域的冷镱原子光钟，相关成果已发表在Nat. Commun.、Phys. Rev. A、Opt. Express等期刊上。镱原子（¹⁷¹Yb）因其具有窄跃迁线宽（约10 mHz），核自旋I=1/2，塞曼磁能级相对简单，冷却和探询所需的激光波长均在可见波段等优势，从而在众多光钟的候选原子中脱颖而出。而冷镱原子光钟是一个极其复杂的系统，实现起来非常难，极具挑战性；它主要有三部分组成：冷镱原子系统、超稳578 nm钟激光系统和光梳测量系统。其中，冷镱原子系统是光钟的核心部件，在超高真空环境下利用6种不同波长的激光，分别对镱原子实现激光冷却、光晶格囚禁、自旋极化和归一化探测等作用，最终在实验上获得了温度为几微开尔文、空间呈晶格点分布的冷镱原子团；其中的6种不同波长的激光，它们的频率和功率都必须被同时锁定，这是相当难的一项工作，但课题组经过多年攻关，最后都被实现。

　　此外，徐信业教授课题组经过几年努力，搭建了一套超稳光学参考腔系统，通过精密温度控制、极好振动隔离和精确的频率锁定等技术，研制了亚Hz线宽的578 nm钟激光。最终将578 nm钟激光锁定到冷镱原子跃迁谱线，实现了冷镱原子光钟的闭环锁定；随后又完成了冷镱原子光钟频率不确定度全面评估的艰巨工作；利用光梳搭建了光频-微波频的传递链路，实现了镱原子钟跃迁频率的精密测量。

　　目前徐信业教授课题组已成功研制了具有国际先进水平的两套冷镱原子光钟，实现了镱原子光钟长时间的稳定锁定，锁定的长期不稳定度达到了9×10^-18@20000s；并通过两套镱原子光钟同步比对实验，获得了单台光钟的不稳定度为4.6×10^-16/τ^1/2，非常接近所使用超稳FP腔的热噪声极限；另外，获得了接近傅里叶极限线宽的1.9 Hz超窄钟跃迁谱线。

图1：(a)冷镱原子光钟系统实景图；(b)冷镱原子光钟正在运行

　　对绝对频率进行测量是光钟研究的重要内容之一，也标志着光钟系统的最终建立。在学校和实验室支持下，徐信业课题组自2015年开始建设提供本地频率基准的氢钟系统，搭建香港118现场直播站（上海）和中国计量科学研究院（北京）间的GPS载波相位频率传递链路。在2019年底，课题组开始进行绝对频率测量实验，将光梳参考在氢钟上，并通过已建立的GPS载波相位频率传递链路进行校准，最终将光钟频率溯源到国际单位制“秒”上。基于十五天光钟运行的测量数据，通过对整个测量系统及传递链路不确定度的评估，与中国计量科学研究院合作进行长达半年的数据处理，最终获得了¹⁷¹Yb 6s²¹S₀-6s6p ³P₀跃迁的绝对频率值为518 295 836 590 863.30(38) Hz，相应不确定度为7.3×10^-16。之后，课题组通过中国计量科学研究院向国际时间频率咨询委员会（CCTF）提交了冷镱原子光钟绝对频率测量值，在2020年11月收到通知：“来自华东师大的¹⁷¹Yb数据已经在上个月被国际频率标准工作小组（WGFS）接受，并已经被发表”。