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      科研动态

      精密测量院在高离化态离子(HCI)精密光谱研究方面取得新进展

      来源:     时间:2021-02-10

        光频标是目前精度最高的原子频标,不但关乎国家计量标准、国家信息和国防建设等重大国家需求,而且是验证基本物理规律和探索新物理的重要工具之一。目前,冷原子/离子光频标已经达到了10-18量级的不确定度和稳定度。利用这样的光频标已高精度地检验引力红移、洛伦兹不变性和检验精细结构常数是否随时间变化等。但人们对精密测量极限的追求是永远的目标。我们能有更高精度的光频标吗?Derevianko等人在理论上指出高离化态离子(HCI)适合研制不确定度达到10-19甚至更低的光频标,应用于更高精度检验基本物理规律,寻找超越标准模型的新物理。2015年,德国马普研究所的Crespo López-Urrutia研究组和德国PTBSchmidt研究组合作,率先开展了基于Ar13+HCI光钟的研究,目前已经实现了Ar13+的逻辑光谱探测。然而,在国际上,HCI光钟相关的研究仍处于起步阶段,原子谱线数据库中高精度的HCI离子相关数据仍存在部分缺失,HCI光钟相关的部分技术尚未成熟。因此,探寻HCI光钟的优选体系/对象和搭建HCI光钟的实验平台是精密测量物理领域中理论和实验的前沿课题。

        中国科学院精密测量科学与技术创新研究院抓住这个新机遇,及时开展了HCI光钟的理论和实验研究。精密测量院囚禁离子物理研究团队同复旦大学研究团队合作,于2019年成功研制了一台小型高温超导电子束离子阱(SW-EBIT)。测试结果表明,该EBIT具备产生并引出HCI离子能力,可以作为HCI光钟所需的离子源。(《科学仪器评论》(Rev. Sci. Instrum. 90, 093301 (2019)))。在此基础上,精密测量院囚禁离子物理组和外场理论组、加拿大新不伦瑞克大学严宗朝教授和美国内华达大学Derevianko组成的联合研究团队,在理论上详细计算了Ni不同价态HCI离子的原子结构参数,分析得出61Ni11+、61Ni12+、61Ni14+61Ni15+离子中的4条磁偶极(M1)2条电四极(E2)光学跃迁非常适合研制新一代光钟。在实验上,基于SW-EBIT成功制备了这些离子,并首次使用共轭的观测与??坦庋低持苯踊蚣浣硬饬苛似渲?span lang="EN-US" style="line-height: 150%">4M1跃迁和1E2跃迁的波长。其波长测量值的不确定度比NIST推荐值小1-2个量级,其中2M1跃迁为首次在实验室环境被直接观测到。该工作结合高精度原子结构理论计算和高精度离子光谱实验测量,首次在单一元素中提出了多个HCI光钟候选体系,丰富了实验对象的选择。为后续研究工作中的HCI离子减速、协同冷却和量子逻辑光谱探测打下了坚实的基础。同时,该工作也为天体物理和等离子物理提供了更高效、更精确的发射荧光光谱测量方案和可靠的观测数据。(《物理学评论A(Phys. Rev. A 103, 022804(2021)))。

        以上工作得到了中国科学院战略性先导科技专项(B)和国家自然科学基金委重点项目的资助。 

        论文链接:

           《科学仪器评论》: https://doi.org/10.1063/1.5112154.

           《物理学评论A: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.103.022804.

       

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