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科学大讲堂 | 中科院精密测量科学与技术创新研究院高克林研究员解读40Ca+离子光钟

2021年3月18日下午,中科院精密测量科学与技术创新研究院高克林研究员来访我校,做客理学院第052期科学大讲堂,在琳恩图书馆111报告厅为我校师生带来“40Ca+离子光钟”为主题的精彩讲座。此次讲座由理学院院长、中国科学院院士杨学明主持。


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杨学明主持讲座

 

嘉宾简介:

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高克林

 

高克林,中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员,1982年毕业于华中科技大学,1990年12月于中国科学技术大学获博士学位,曾先后在美国华盛顿大学、英国国家物理实验室访问和合作研究。高克林主持和参加了国家攀登计划、国家自然科学基金委重大基金、重点基金、青年基金和面上基金和中国科学院创新方向性重大、重点项目等二十多项课题。2005-2010年被科技部聘为“973”计划——“原子频标物理与技术基础”项目首席科学家,2012-2016年,被聘为“973”计划——“光频标的关键物理问题及技术实现”项目首席科学家,2017-2021年,被科技部聘为国家重点研发计划——“高精度原子光钟”项目首席科学家。目前研究方向为单离子光频标与囚禁离子精密谱。

 

讲座回顾:

时间是物理学中七个基本物理量之一,时间的准确测量对人们的日常生活,国防安全以及物理科学的研究都具有重要意义。要更准确地测量时间,需要刻度更细的“尺子”,也就是振荡周期更短的时钟。过去,我们用天体的周期性运动或水滴的周期来计算时间,而现在,借助于原子能级之间固定的跃迁频率,时间的计算将会更加精准。微波钟和光钟,正是基于此原理研发出来的。随着激光器锁频技术的发展和光梳的发明,光钟的精度已经远远超过了微波钟。


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讲座现场

 

报告中,高克林详细介绍了其团队近年来在钙离子光钟领域取得的研究进展。经过长达二十多年的研究,高克林团队先后搭建了三代钙离子光钟,并不断突破关键技术,实现了单个钙离子的有效冷却和稳定囚禁,将激光器的频率锁定到精细度很高的稳频腔上,获得超窄线宽稳频的光频跃迁激光,实现了长时间的频标锁定。


面对实现高精度的光钟-提高光钟的不确定度和稳定度的科学问题和技术挑战。高克林团队经过不懈的努力,通过减少囚禁离子运动效应(特别是离子微运动效应)、磁场效应、改进伺服系统误差、构建低温环境抑制黑体辐射频移等方法,将不确定度指标提高到3×10-18。同时该团队改进稳频激光,实现更有效的冷却、采用初态制备方法、用更有效的探测和锁定方法、对外场和环境的有效控制以及伺服系统的改进。通过两台钟比对测得单台钟的长期稳定度达到10-18量级,这意味着该钟能分辨出约20亿亿分之一(2后面有17个0)秒的微弱时间/频率变化。高克林团队的钙离子钟跃迁绝对频率测量结果三次被国际时间频率咨询委员会(CCTF)采纳并更新了钙离子钟跃迁频率推荐值。同时他们还开展了车载可搬运光钟的研究,成功研制出一台车载可搬运钙离子光钟,并将该光钟从武汉搬运至北京,实现了长达20天的准连续运行。在国际上首次将钙离子光钟钟跃迁绝对频率的测量不确定度推进到10-16量级。


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高克林在讲解

 

高克林团队的研究开启了光钟小型化可搬运研究的大门,将推动光钟在精密测量物理、大地测量、电力和交通等领域的应用。讲座最后,他提出,未来相关研究可进一步着眼于更高精度原子光钟、区域和国家光频传输网络建设以及高性能原子频标研究等方面。

 

互动环节:

讲座提问环节,现场师生针对离子光钟下一步的研究计划以及与铷原子钟的区别等问题进行提问,高克林研究员一一解答并给出建议。

 

 

 

 

Q1:下一步研究还打算用钙离子吗?

A1:我们现在的钙离子光钟不确定性和稳定性都已进入E-18,但还不是极致。为此我们还要努力开展极限钙离子光频标的研究;此外,还有一个想做的是多离子,提高离子光频标的稳定性(在短时间进入E-18)。同时努力做到高精度光钟的实际应用。另一方面,我们可以在适当的时候开展具有更高性能的原子体系(如镱离子和高离化态离子)光频标研究。

 

Q2:铷原子钟能达到这样的稳定度吗,和光钟的差别是什么?

A2:原子钟是以原子的跃迁谱线作为参考标准的频率、时间信号产生系统。铷原子钟是微波钟(利用原子的微波跃迁),微波钟的短期稳定性是靠晶振(激发原子跃迁),现在做到最好晶振的是低温蓝宝石晶振。原子光钟(利用原子的光频跃迁)的短期稳定性是由激光器决定的,激光器的短期稳定性已经显著超越了低温蓝宝石晶振,而且还有望做得更好。现在的国际秒定义的参考还是微波钟,而且微波钟已经实现广泛应用。随着科学和技术的发展,微波钟的性能会得到提高。但从光钟的物理特性(光频),光钟会有更高的稳定度和不确定度。目前大家的努力显示光钟所有的性能都已经超越了微波钟,但是光钟的缺点是还不能做到连续地运行。为了实现光钟的连续运行,我们需不断努力。

 

最后,杨学明院长为高克林研究员送上理学院科学大讲堂荣誉证书及量子院纪念品并合影留念。


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合影

 

通讯员:王珮