近日，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院離子光頻標(biāo)研究組與原子分子外場(chǎng)理論研究組合作，在鋁離子光鐘精密測(cè)量研究中取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首次提出了一種具有普適性的“極化率天平”測(cè)量方案，實(shí)現(xiàn)離子極化率之差的高精度測(cè)量。基于該方案，團(tuán)隊(duì)利用Ca⁺離子作為“參考砝碼”，通過測(cè)量囚禁在同一個(gè)離子阱中的Ca⁺和Al⁺離子的光頻移之比，高精度地確定了Al⁺離子鐘躍遷的極化率之差這一學(xué)術(shù)難題。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。

光頻標(biāo)鐘躍遷上態(tài)和下態(tài)的靜態(tài)極化率之差是評(píng)估光頻標(biāo)體系黑體輻射頻移所需的重要參數(shù)，其不確定度是高精度光頻標(biāo)的系統(tǒng)不確定度的重要來源之一。極少數(shù)離子光鐘體系（如Ca⁺和Sr⁺）的靜態(tài)極化率之差為負(fù)值，可以采用“魔幻射頻囚禁場(chǎng)”方案高精度測(cè)量其躍遷的靜態(tài)極化率之差，精密測(cè)量院高克林研究團(tuán)隊(duì)于2019年測(cè)得Ca⁺鐘躍遷靜態(tài)極化率之差的不確定度僅為0.029%。而對(duì)于大多數(shù)離子光鐘體系躍遷的靜態(tài)極化率之差，通常只能通過理論計(jì)算或傳統(tǒng)的光頻移測(cè)量方案得到。對(duì)于Al⁺鐘躍遷的靜態(tài)極化率之差，此前最好的理論計(jì)算值的不確定度為9.8%，2019年美國(guó)NIST實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的不確定度為13.4%，其測(cè)量精度主要受限于背景激光的功率波動(dòng)和光功率密度的測(cè)量精度。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出一種基于“原位”測(cè)量的“極化率天平”測(cè)量方案，通過測(cè)量共同囚禁在同一個(gè)離子阱中的兩種離子光頻移的比值來測(cè)得其極化率之差的比值，利用離子阱軸向通光的方法達(dá)到完全消除背景光功率波動(dòng)和光功率密度誤差帶來的影響，巧妙地將Ca⁺鐘躍遷極化率之差的高精度特性傳遞給Al⁺鐘躍遷的極化率之差測(cè)量，最終將鋁離子靜態(tài)極化率之差測(cè)量值測(cè)量精度提高到3.4%，比美國(guó)NIST在2019年的測(cè)量精度提高4倍。理論分析預(yù)言，若采用波長(zhǎng)更長(zhǎng)的背景光，有望繼續(xù)將測(cè)量精度進(jìn)一步提高。

這一測(cè)量方案可以推廣至任意離子體系，對(duì)離子光鐘黑體輻射頻移的高精度評(píng)估具有重要意義。

Al⁺離子光頻標(biāo)研究長(zhǎng)期得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院等的大力支持。

論文鏈接

“極化率天平”測(cè)量方案。左圖為實(shí)驗(yàn)原理，通過測(cè)量同一線形離子阱中兩種離子光頻移的比值，得到其極化率之差的比值，由于參考離子的極化率之差已知且具有極高的精度，由此精確推算待測(cè)離子的極化率之差，最終實(shí)現(xiàn)高精度的傳遞；右圖為Al⁺鐘躍遷極化率之差的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，其不確定度為3.4%，比NIST在2019年的測(cè)量精度提高4倍。