華東師大精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐信業(yè)課題組實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷鐿原子光鐘的絕對(duì)頻率的精確測(cè)量，相關(guān)數(shù)據(jù)已上報(bào)國(guó)際計(jì)量委員會(huì)，并于近期被成功采納。這是我國(guó)首次向國(guó)際組織成功上報(bào)鐿原子絕對(duì)頻率數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)在下一輪國(guó)際單位“秒”定義修改過(guò)程中爭(zhēng)得話(huà)語(yǔ)權(quán)具有重要意義。相關(guān)成果已發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Metrologia上（Metrologia 2020,57,065017)，得到了審稿人的積極評(píng)價(jià)：“他們的測(cè)量值與國(guó)際計(jì)量委員會(huì)所認(rèn)可的作為國(guó)際單位‘秒’二級(jí)定義的中性鐿原子的推薦值吻合得很好”。該工作以華東師大為第一單位，與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院等單位合作完成；駱莉夢(mèng)博士生為論文第一作者，徐信業(yè)教授、梁坤研究員和周敏專(zhuān)任副研究員為論文共同通訊作者。
精密測(cè)量是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，其中頻率測(cè)量具有最高的測(cè)量精度，決定著其它許多物理量和物理常數(shù)的準(zhǔn)確度。現(xiàn)行頻率標(biāo)準(zhǔn)的制定都是基于微波原子鐘，與其相比，冷原子光鐘在頻率精度上有3-5個(gè)數(shù)量級(jí)的理論提升空間，因此具有更大的發(fā)展?jié)摿Α＝?jīng)過(guò)多年的發(fā)展，光鐘各項(xiàng)性能指標(biāo)基本全面優(yōu)于最好的微波原子鐘，已有望成為下一代時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)并用于重新定義國(guó)際單位“秒”。
自2006年以來(lái)，徐信業(yè)課題組一直致力于研究可應(yīng)用在計(jì)量、通信和精密測(cè)量等領(lǐng)域的冷鐿原子光鐘，相關(guān)成果已發(fā)表在Nat. Commun.、Phys. Rev. A、Opt. Express等期刊上。鐿原子（171Yb）因其具有窄躍遷線(xiàn)寬（約10 mHz），核自旋I=1/2，塞曼磁能級(jí)相對(duì)簡(jiǎn)單，冷卻和探詢(xún)所需的激光波長(zhǎng)均在可見(jiàn)波段等優(yōu)勢(shì)，從而在眾多光鐘的候選原子中脫穎而出。而冷鐿原子光鐘是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常難，極具挑戰(zhàn)性；它主要有三部分組成：冷鐿原子系統(tǒng)、超穩(wěn)578 nm鐘激光系統(tǒng)和光梳測(cè)量系統(tǒng)。其中，冷鐿原子系統(tǒng)是光鐘的核心部件，在超高真空環(huán)境下利用6種不同波長(zhǎng)的激光，分別對(duì)鐿原子實(shí)現(xiàn)激光冷卻、光晶格囚禁、自旋極化和歸一化探測(cè)等作用，最終在實(shí)驗(yàn)上獲得了溫度為幾微開(kāi)爾文、空間呈晶格點(diǎn)分布的冷鐿原子團(tuán)；其中的6種不同波長(zhǎng)的激光，它們的頻率和功率都必須被同時(shí)鎖定，這是相當(dāng)難的一項(xiàng)工作，但課題組經(jīng)過(guò)多年攻關(guān)，最后都被實(shí)現(xiàn)。
此外，徐信業(yè)教授課題組經(jīng)過(guò)幾年努力，搭建了一套超穩(wěn)光學(xué)參考腔系統(tǒng)，通過(guò)精密溫度控制、極好振動(dòng)隔離和精確的頻率鎖定等技術(shù)，研制了亞Hz線(xiàn)寬的578 nm鐘激光。最終將578 nm鐘激光鎖定到冷鐿原子躍遷譜線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了冷鐿原子光鐘的閉環(huán)鎖定；隨后又完成了冷鐿原子光鐘頻率不確定度全面評(píng)估的艱巨工作；利用光梳搭建了光頻-微波頻的傳遞鏈路，實(shí)現(xiàn)了鐿原子鐘躍遷頻率的精密測(cè)量。
目前徐信業(yè)教授課題組已成功研制了具有國(guó)際先進(jìn)水平的兩套冷鐿原子光鐘，實(shí)現(xiàn)了鐿原子光鐘長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定鎖定，鎖定的長(zhǎng)期不穩(wěn)定度達(dá)到了9×10-18@20000s；并通過(guò)兩套鐿原子光鐘同步比對(duì)實(shí)驗(yàn)，獲得了單臺(tái)光鐘的不穩(wěn)定度為4.6×10-16/τ1/2，非常接近所使用超穩(wěn)FP腔的熱噪聲極限；另外，獲得了接近傅里葉極限線(xiàn)寬的1.9 Hz超窄鐘躍遷譜線(xiàn)。
圖1：(a)冷鐿原子光鐘系統(tǒng)實(shí)景圖；(b)冷鐿原子光鐘正在運(yùn)行
對(duì)絕對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量是光鐘研究的重要內(nèi)容之一，也標(biāo)志著光鐘系統(tǒng)的最終建立。在學(xué)校和實(shí)驗(yàn)室支持下，徐信業(yè)課題組自2015年開(kāi)始建設(shè)提供本地頻率基準(zhǔn)的氫鐘系統(tǒng)，搭建華東師范大學(xué)（上海）和中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院（北京）間的GPS載波相位頻率傳遞鏈路。在2019年底，課題組開(kāi)始進(jìn)行絕對(duì)頻率測(cè)量實(shí)驗(yàn)，將光梳參考在氫鐘上，并通過(guò)已建立的GPS載波相位頻率傳遞鏈路進(jìn)行校準(zhǔn)，最終將光鐘頻率溯源到國(guó)際單位制“秒”上?；谑逄旃忡娺\(yùn)行的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)及傳遞鏈路不確定度的評(píng)估，與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院合作進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)半年的數(shù)據(jù)處理，最終獲得了171Yb 6s21S0-6s6p 3P0躍遷的絕對(duì)頻率值為518 295 836 590 863.30(38) Hz，相應(yīng)不確定度為7.3×10-16。之后，課題組通過(guò)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院向國(guó)際時(shí)間頻率咨詢(xún)委員會(huì)（CCTF）提交了冷鐿原子光鐘絕對(duì)頻率測(cè)量值，在2020年11月收到通知：“來(lái)自華東師大的171Yb數(shù)據(jù)已經(jīng)在上個(gè)月被國(guó)際頻率標(biāo)準(zhǔn)工作小組（WGFS）接受，并已經(jīng)被發(fā)表”。
圖2：(a)冷鐿原子光鐘絕對(duì)頻率測(cè)量示意圖；
(b)國(guó)際上鐿原子光鐘小組絕對(duì)頻率測(cè)量值匯總，其中紅色點(diǎn)表示徐信業(yè)教授課題組的測(cè)量值
絕對(duì)頻率的測(cè)量為我國(guó)建立基于光鐘的新一代時(shí)間頻率計(jì)量體系奠定技術(shù)基礎(chǔ)，將對(duì)促進(jìn)基本科學(xué)問(wèn)題的研究、提高有賴(lài)于時(shí)間基準(zhǔn)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度（如：我國(guó)北斗系統(tǒng)）、高速通信以及深空探測(cè)等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值；同時(shí)也將對(duì)**安全建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)等領(lǐng)域具有重要的推動(dòng)作用。
徐信業(yè)課題組長(zhǎng)期開(kāi)展冷鐿原子光鐘研究工作，得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、上海市市級(jí)科技重大專(zhuān)項(xiàng)等的重要資助。
圖文、來(lái)源｜精密光譜科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 編輯｜古麗達(dá)娜· 巴哈提 編審｜郭文君
