項(xiàng)目名稱(chēng)基于囚禁冷卻單個(gè)鈣離子的精密光譜研究

1、項(xiàng)目名稱(chēng)：基于囚禁冷卻單個(gè)鈣離子的精密光譜研究提名單位：中國(guó)科學(xué)院武漢分院提名意見(jiàn)：中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所高克林團(tuán)隊(duì)圍繞精密測(cè)量物理的前沿和國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，開(kāi)展了囚禁冷卻單個(gè)鈣離子的精密光譜實(shí)驗(yàn)研究。該團(tuán)隊(duì)在單離子光頻標(biāo)單元技術(shù)攻關(guān)、高精度光頻標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和基于光頻標(biāo)進(jìn)行相關(guān)精密測(cè)量物理等方面取得了一系列創(chuàng)新性研究結(jié)果。他們通過(guò)對(duì)囚禁離子動(dòng)力學(xué)、光頻躍遷探測(cè)所用的超窄線(xiàn)寬激光器以及原子與環(huán)境外場(chǎng)相互作用的細(xì)致研究，實(shí)現(xiàn)了單離子的長(zhǎng)期穩(wěn)定囚禁和鈣離子光頻標(biāo)的頻率鎖定，同時(shí)對(duì)影響光頻躍遷的各種外場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的誤差評(píng)定，研制出國(guó)際上精度最高的鈣離子光頻標(biāo)。該光頻標(biāo)通過(guò)了中科院組織的科技成果

2、鑒定，被認(rèn)定為“國(guó)內(nèi)第一臺(tái)光頻標(biāo)，該成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平”；搭建了第二臺(tái)鈣離子光頻標(biāo)，進(jìn)一步抑制了兩臺(tái)光頻標(biāo)的系統(tǒng)誤差，完成了兩臺(tái)鈣離子光頻標(biāo)的比對(duì)，結(jié)果表明兩臺(tái)鈣離子光頻標(biāo)的頻率不確定度和穩(wěn)定度（20000 秒）均進(jìn)入 10-17 量級(jí)，推動(dòng)中國(guó)的光頻標(biāo)進(jìn)入了世界先進(jìn)光頻標(biāo)行列?；阝}離子光頻標(biāo)平臺(tái)，兩次精密測(cè)量了鈣離子鐘躍遷絕對(duì)頻率，測(cè)量結(jié)果兩次被國(guó)際事件頻率咨詢(xún)委員會(huì)（CCTF）采納，更新了鈣離子的光學(xué)頻率推薦值；理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量了鈣離子鐘躍遷魔幻波長(zhǎng)，由此提出未來(lái)基于全光（魔幻波長(zhǎng)）囚禁的離子光頻標(biāo)的新方案；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合，精確測(cè)量了鈣離子 3D5/2 態(tài)壽命。取得了重要?jiǎng)?chuàng)

3、新性成果及提升了在國(guó)際上的影響。提名該項(xiàng)目湖北省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)項(xiàng)目簡(jiǎn)介： 本項(xiàng)目屬于原子分子物理學(xué)研究領(lǐng)域，基于原子分子光的精密測(cè)量是人類(lèi)追求極限的研究。本項(xiàng)目重點(diǎn)研究單離子光頻標(biāo)和相關(guān)精密測(cè)量物理。時(shí)間頻率是目前測(cè)量精度最高的物理量之一，高精度光頻標(biāo)可用于基本物理常數(shù)測(cè)量和基本物理定律檢驗(yàn)，同時(shí)為新的時(shí)間基準(zhǔn)-秒的定義和更精密的全球定位系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。要實(shí)現(xiàn)單離子光頻標(biāo)和相關(guān)精密測(cè)量，需要解決影響光頻測(cè)量的一系列關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)難題。項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)十年多努力，實(shí)現(xiàn)了高精度單離子光頻標(biāo)；并基于光頻標(biāo)精密測(cè)量了鈣離子光頻躍遷絕對(duì)頻率、魔幻波長(zhǎng)和亞穩(wěn)態(tài)壽命。創(chuàng)新點(diǎn)與特色如下：解決了鈣離子光頻標(biāo)的相關(guān)物理與

4、技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)光頻標(biāo)通過(guò)對(duì)微運(yùn)動(dòng)等物理效應(yīng)的探索，解決了單離子難以被長(zhǎng)期連續(xù)囚禁的國(guó)際難題，將單個(gè)鈣離子的連續(xù)囚禁時(shí)間延長(zhǎng)到兩個(gè)月以上；攻克了一系列技術(shù)瓶頸，如窄線(xiàn)寬激光穩(wěn)頻技術(shù)、高精度磁場(chǎng)控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)光頻標(biāo)。改進(jìn)鈣離子光頻標(biāo)的性能，實(shí)現(xiàn)了E-17精度的鈣離子光頻標(biāo)采用聲光調(diào)制器結(jié)合機(jī)械快門(mén)的方式，首次將鈣離子光頻標(biāo)的光頻移抑制到E-18量級(jí)；采用小磁場(chǎng)、低射頻功率條件，使磁場(chǎng)和黑體輻射效應(yīng)引入頻移不確定度得到大幅抑制；采用“魔幻”射頻囚禁頻率，將微運(yùn)動(dòng)引入的頻移不確定度降低至E-17量級(jí)。通過(guò)以上研究， 40Ca離子光頻標(biāo)的不確定度和穩(wěn)定度均進(jìn)入E-17量級(jí)?；贕P

5、S系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精度達(dá)E-15量級(jí)的光頻標(biāo)絕對(duì)頻率測(cè)量突破傳統(tǒng)的本地光頻標(biāo)絕對(duì)頻率測(cè)量受限于基準(zhǔn)鐘以及基于衛(wèi)星的遠(yuǎn)程時(shí)間頻率傳遞鏈路不確定的局限，首次將基于GPS載波相位觀(guān)測(cè)的精密單點(diǎn)定位解算進(jìn)行時(shí)間頻率傳遞的方法引入到光頻絕對(duì)值測(cè)量中，首次實(shí)現(xiàn)了E-15量級(jí)的光頻標(biāo)絕對(duì)頻率遠(yuǎn)程測(cè)量。精確測(cè)量了鈣離子鐘躍遷魔幻波長(zhǎng)基于高精度鈣離子光頻標(biāo)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)測(cè)量引入光造成的鈣離子光頻躍遷的ac Stark頻移，首次在離子體系中精確測(cè)量了鈣離子鐘躍遷魔幻波長(zhǎng)。為原子精細(xì)結(jié)構(gòu)研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)為提高光譜測(cè)量精度提供了新思路，也為未來(lái)的全光囚禁離子光頻標(biāo)的研究奠定了基礎(chǔ)。客觀(guān)評(píng)價(jià)：1. 2012年5月13日

6、，中國(guó)科學(xué)院在武漢組織召開(kāi)了由武漢物理與數(shù)學(xué)研究所囚禁離子物理研究組完成的“鈣離子光頻標(biāo)”科技成果鑒定會(huì)，鑒定委員會(huì)由李天初院士、于淥院士、李家明院士、羅俊院士、王義遒教授、馬龍生教授、韓春好研究員組成。鑒定委員會(huì)對(duì)鈣離子光頻標(biāo)的研究工作給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為該鈣離子光頻標(biāo)“是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)光頻標(biāo)，一致同意通過(guò)鈣離子光頻標(biāo)成果鑒定”。2. 鈣離子光頻標(biāo)的絕對(duì)頻率測(cè)量值兩次被國(guó)際時(shí)間頻率咨詢(xún)委員會(huì)（CCTF）的CCL-CCTF頻標(biāo)聯(lián)合工作組采納，并被國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）批準(zhǔn)，參與鈣離子光頻推薦值的計(jì)算（國(guó)際范圍內(nèi)共三家參與）。3. 鈣離子光頻標(biāo)相關(guān)研究成果被于淥院士、李天初院士、葉朝輝院士等聯(lián)合

7、推薦，作為國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目重大研究成果上報(bào)科技部。 4. 鈣離子光頻標(biāo)相關(guān)研究成果被國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃項(xiàng)目“精密測(cè)量物理”項(xiàng)目專(zhuān)家組作為突出進(jìn)展向基金委進(jìn)行中期匯報(bào)，綜合評(píng)價(jià)為優(yōu)。5. 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院光頻標(biāo)領(lǐng)域?qū)＜褹. Ludlow、美國(guó)科學(xué)院院士葉軍教授等在物理學(xué)權(quán)威雜志Reviews of Modern Physics，2015上發(fā)表的關(guān)于全球主要光頻標(biāo)進(jìn)展的綜述文章“Optical Atomic Clocks”中，引用了代表性論文2并做出評(píng)價(jià)。作為離子光頻標(biāo)的代表之一，是唯一被引用的中國(guó)光頻標(biāo)研究結(jié)果。 6. 在上述物理學(xué)權(quán)威雜志Reviews of Modern

8、 Physics中，除了引用代表性論文2外，還引用了國(guó)際上的其他鈣離子光頻標(biāo)的結(jié)果，另外日本通訊信息技術(shù)研究所發(fā)表關(guān)于鈣離子光頻標(biāo)進(jìn)展的文章Opt. Express 20, 22034(2012)（證明材料見(jiàn)附件6-4）中也總結(jié)了國(guó)際上的鈣離子光頻標(biāo)研究情況。這些鈣離子光頻標(biāo)的技術(shù)指標(biāo)列表如下:經(jīng)查新，該項(xiàng)目研制的光頻標(biāo)在2012年是國(guó)際上不確定度指標(biāo)最好的鈣離子光頻標(biāo)（證明材料見(jiàn)附件6-6）。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，目前該鈣離子光頻標(biāo)的不確定度指標(biāo)提高到了E-17量級(jí)（PRL 116, 013006(2016)），而另外兩家單位近幾年來(lái)無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表，使該光頻標(biāo)成為國(guó)際上唯一的不確定度和穩(wěn)定度指標(biāo)

9、達(dá)到E-17量級(jí)的鈣離子光頻標(biāo)，繼續(xù)鞏固了該項(xiàng)目在鈣離子光頻標(biāo)研究領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位。 7. 通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)（附件6-7），可以總結(jié)出目前國(guó)內(nèi)的光頻標(biāo)發(fā)展情況，各光頻標(biāo)技術(shù)指標(biāo)列表如下： 可見(jiàn)該項(xiàng)目研制的鈣離子光頻標(biāo)依然是國(guó)內(nèi)技術(shù)指標(biāo)最好的光頻標(biāo)。該項(xiàng)目不僅研制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)光頻標(biāo)，在前期的工作基礎(chǔ)上完善和提高了光頻標(biāo)指標(biāo)，繼續(xù)保持了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的地位。 8. 項(xiàng)目主要完成人多次在國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議上作特邀報(bào)告或口頭報(bào)告，匯報(bào)了該項(xiàng)目的主要科學(xué)發(fā)現(xiàn)情況。其中，國(guó)際頻率控制會(huì)議（IFCS）是世界上最重要的原子頻標(biāo)的相關(guān)會(huì)議之一，來(lái)自全世界的最重要的光頻標(biāo)進(jìn)展大多都會(huì)在該會(huì)議上進(jìn)行報(bào)道。項(xiàng)目組主要成員管

10、樺研究員、黃垚副研究員分別于2013年和2014年參加了IFCS會(huì)議，并分別應(yīng)邀作了題為“The progress on the optical frequency standard of trapped and cold 40Ca+”和“The Comparison of the 40Ca+ Ion Clocks with the Improvement of the Clock Laser Stability”的口頭報(bào)告。項(xiàng)目主要完成人的其他邀請(qǐng)報(bào)告如下： 1） 高克林，The progress on the trapped and cold Ca ion，NICT workshop on

11、 the optical Frequency standards，2013年2月7-8日，日本東京（邀請(qǐng)報(bào)告） 2） 高克林，Spectroscopy of trapped and cold 40Ca+，海峽兩岸原子分子與光學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)，2008年10月24日，臺(tái)北（邀請(qǐng)報(bào)告） 3） 管樺，F(xiàn)requency Comparison of Two 40Ca+ Optical Clocks with an Uncertainty at 10-17 Level, 8FSM2015, 2015年10月11-16日，德國(guó)波茲坦（口頭報(bào)告） 4） 管樺，The Progress on the Optica

12、l Frequency Standard of Trapped and Cold 40Ca+，AISAMP 10，2012年10月23-27日，臺(tái)北（邀請(qǐng)報(bào)告） 5） 黃垚，Ca+ Optical Clocks，Asia Pacific Laser Symposium（APLS 2016），2016年5月10-14日，韓國(guó)濟(jì)州(邀請(qǐng)報(bào)告) 6） 黃學(xué)人，Zeeman structure profile measurement of 4s 2S1/2-3d 2D5/2 electric quadrupole transition in a single laser cooled 40Ca+ io

13、n，2010 Asia-pacific radio science conference，2010年9月22-26日，日本富山（邀請(qǐng)報(bào)告） 7） 黃學(xué)人，Observation of the Quadrupole Transition in a single cold 40Ca+，2008 Asia-Pacific workshop on time and frequency(ATF 2008)，2008年10月30日-11月1日，印度尼西亞（邀請(qǐng)報(bào)告）代表性論文專(zhuān)著目錄序號(hào)論文專(zhuān)著名稱(chēng)/刊名/作者影響因子年卷頁(yè)碼發(fā)表時(shí)間年月日通訊作者/第一作者SCI他引次數(shù)他引總次數(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)是否歸國(guó)內(nèi)所有1

14、Measurement of Magic Wavelengths for the 40Ca+ Clock Transition / Physical Review Letters / Liu Pei-Liang，Huang Yao，Bian Wu，Shao Hu，Guan Hua，Tang Yong-Bo，Li Cheng-Bin，Mitroy J.，Gao Ke-Lin8.4622015，114（22）：223001(1)-223001(5)2015年6月2日管樺、高克林/劉培亮911是2Combined experimental and theoretical probe of the l

15、ifetime of the 3d 2D5/2 state in 40Ca+ / Physical Review A / Hua Guan, Hu Shao, Yuan Qian, Yao Huang, Pei-Liang Liu, Wu Bian, Cheng-Bin Li, B. K. Sahoo, and Ke-Lin Gao2.925(2015) 91, 022511 2015年2月18日高克林/管樺00是3Evaluation of the systematic shifts and absolute frequency measurement of a single Ca+ ion

16、 frequency standard / Applied Physical B / Yao Huang, Peiliang Liu, Wu Bian, Hua Guan, Kelin Gao1.6962014年114(1)卷189頁(yè)2014年11月8日高克林/黃垚33是4Hertz-level Measurement of the40Ca+4s2S1/23d2D5/2Clock Transition FrequencyWith Respect to the SI Second through GPS / Physical Review A / Y. Huang, J. Cao,P. Liu,

17、K. Liang,B. Ou,H. Guan,X. Huang,T. Li and K. Gao2.9252012年85(3)卷030503(R)頁(yè)2012年3月23日高克林/黃垚1924是5Evaluation of the systematic shifts of a single40Ca+ion frequency standard / Physical Review A / Yao Huang, Qu Liu, Jian Cao, Baoquan Ou, Peiliang Liu, Hua Guan,Xueren Huang, and Kelin Gao2.925 2011年84(5)

18、卷053841頁(yè)2011年11月21日高克林/黃垚78是6A 729 nm laser with ultra-narrow linewidth for probing4S1/23D5/2clock transition of40Ca+ / Optics Communications / Hua Guan, Qu Liu, Yao Huang, Bin Guo, Wancheng Qu, Jian Cao, Guilong Huang, Xueren Huang, Kelin Gao1.5882011年284卷217頁(yè)2011年1月1日高克林、黃學(xué)人/管樺11是7Stabilization of

19、 397 nm and 866 nm external cavity diode lasers for cooling a single calcium ion / Optics Communications / H. Guan, B. Guo, G. L. Huang, H. L. Shu, X. R. Huang, and K. L. Gao1.5882007年274(1)卷182頁(yè)2007年6月1日高克林、黃學(xué)人/管樺13是8A Single Laser Cooled Trapped 40Ca+ Ion in a Miniature Paul Trap / Chinese Physics

20、 Letters / Shu Hua-Lin, Guan Hua, Huang Xue-Ren, Li Jiao-Mei, Gao Ke-Lin0.82005年22(7)卷1641頁(yè)2005年7月1日高克林/舒華林22是合計(jì)主要完成人情況：姓名高克林性別男排名1國(guó)籍中國(guó)工作單位中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所行政職務(wù)無(wú)二級(jí)單位原子頻標(biāo)研究部技術(shù)職稱(chēng)研究員完成單位中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所所在地湖北單位性質(zhì)科研機(jī)構(gòu)參加本項(xiàng)目的起止時(shí)間2002-01 至 2018-04對(duì)本項(xiàng)目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：1）項(xiàng)目組織者和負(fù)責(zé)人。負(fù)責(zé)項(xiàng)目立項(xiàng)、人員配置和具體組織實(shí)施，促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)內(nèi)理論與實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合,在項(xiàng)目的組

21、織實(shí)施、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析與總結(jié)、以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面做出了貢獻(xiàn)；2）解決了囚禁離子動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)誤差分析和光譜測(cè)量中的關(guān)鍵問(wèn)題。完成了鈣離子光頻標(biāo)相關(guān)的物理分析和單元技術(shù)的突破，建立了鈣離子光頻標(biāo)，完成了鈣離子光頻標(biāo)的誤差評(píng)定，完成了基于GPS系統(tǒng)的鈣離子光頻標(biāo)絕對(duì)頻率測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)光頻標(biāo)的頻率比對(duì)，測(cè)量了鈣離子鐘躍遷魔幻波長(zhǎng)和亞穩(wěn)態(tài)壽命。是八篇代表作中的通訊作者，占本人工作量90%。姓名管樺性別男排名2國(guó)籍中國(guó)工作單位中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所行政職務(wù)無(wú)二級(jí)單位原子頻標(biāo)研究部技術(shù)職稱(chēng)研究員完成單位中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所所在地湖北單位性質(zhì)科研機(jī)構(gòu)參加本項(xiàng)目的起止時(shí)間2012-01

22、至 2018-04對(duì)本項(xiàng)目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：1）單離子囚禁和冷卻中的關(guān)鍵物理問(wèn)題和單元技術(shù)研究，包括單個(gè)鈣離子的囚禁和激光冷卻，397nm和866nm激光器的光電流信號(hào)穩(wěn)頻、傳輸腔穩(wěn)頻，729nm鈦寶石激光器的穩(wěn)頻等，鈣離子鐘躍遷10條Zeeman譜的掃描與得到、單離子光頻標(biāo)的鎖定，完成了鈣離子光頻標(biāo)的誤差分析與評(píng)定；2）鈣離子光頻標(biāo)絕對(duì)頻率的測(cè)量。包括測(cè)量方法選取和性能分析；頻率測(cè)量具體實(shí)施；測(cè)量結(jié)果誤差分析。3）實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)鈣離子光頻標(biāo)的頻率比對(duì)。4）測(cè)量了鈣離子鐘躍遷魔幻波長(zhǎng)和亞穩(wěn)態(tài)壽命。本人是8篇代表性論文中1-8的作者。姓名黃垚性別男排名3國(guó)籍中國(guó)工作單位中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所行政

23、職務(wù)無(wú)二級(jí)單位原子頻標(biāo)研究部技術(shù)職稱(chēng)副研究員完成單位中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所所在地湖北單位性質(zhì)科研機(jī)構(gòu)參加本項(xiàng)目的起止時(shí)間2007年3月-2018年4月對(duì)本項(xiàng)目主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：1）成功實(shí)現(xiàn)了單個(gè)鈣離子光頻標(biāo)的鎖定，系統(tǒng)地分析了對(duì)鈣離子鐘躍遷頻率測(cè)量產(chǎn)生影響的物理效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得由物理效應(yīng)引入的鐘躍遷頻率的不確定度小于1E-15。 2）在此基礎(chǔ)上通過(guò)與中國(guó)計(jì)量院合作；參考中國(guó)計(jì)量院的UTC（NIM）時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)；在國(guó)際上首次利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）遠(yuǎn)程校準(zhǔn)的方案實(shí)現(xiàn)了E-15量級(jí)精度的光頻標(biāo)鐘躍遷絕對(duì)頻率測(cè)量。3）實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)鈣離子光頻標(biāo)的頻率比對(duì)。4）測(cè)量了鈣離子鐘躍遷魔幻波長(zhǎng)和亞穩(wěn)態(tài)壽命