项目名称：光频标关键物理问题与技术实现首席科学家：高克林中国科学院武汉物理与数学研究所起止年限：2012.1-2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容1、拟解决的关键科学问题决定原子光频标的准确度和稳定度的因素主要是谱线的宽度和稳定性、伺服系统的信噪比和外界环境以及物理效应的影响。而影响原子谱线精确度的根源，在于环境对原子能级的干扰以及与原子运动有关的各种效应，而稳定度取决于这些因素随时间的变化关系。与环境隔离（离子阱和光晶格囚禁）或将原子冷却（冷原子）就是主要的手段。而随着频率稳定度提高，在更高阶水平上一些更细微和新的影响因素将显露出来，如多体碰撞效应、黑体辐射效应、Dick效应、量子噪声、相对论效应等。为此本项目拟解决的关键科学问题：激光冷却与操控原子新的物理机制与方法，有效的冷原子（离子）的制备和控制方法；影响原子光频标准确度和稳定度的高阶小量的物理因素和克服途径，如冷原子碰撞和黑体辐射的物理研究及其对光频标的影响；极端条件下不同物理起源的噪声理论，用于原子跃迁谱线探测的超窄线宽激光的激光物理；光频的精密测量和传输；类碱金属原子和奇同位素离子的光频标机理；新原理和新方法用于提高原子光频标精确度的可能性，探索量子逻辑原子光频标的机理。2、重要研究内容：1）囚禁离子光频标目前Ca+离子光频标达到10-15的量级，与理论可能极限优于10-17还有一定的差距。为此开展高精度Ca+离子光频标的研究：通过囚禁离子量子态的实现和操控，实现囚禁离子的更有效冷却；通过两个阱中囚禁离子光频的比对实验，进一步研究外场和环境对离子光频跃迁的影响和克服方法；探索利用奇同位素离子形成高精度光频标的可能性。开展量子逻辑Al+光频标的研究：影响量子逻辑高保真度运行的离子退相干机制；利用拉曼边带冷却方法快速有效地将离子的运动冷却到量子振动基态的技术实现；基于量子逻辑Al+离子光频标系统误差的精密测量和估算。2）光晶格中冷原子频标Yb原子光频标的研究已达到10-16量级，但与极限有差距。为此可以开展探索实验：采用新的亚多普勒冷却突破多普勒冷却极限，获取超冷Yb原子；光晶格中长时间囚禁更多冷Yb原子提高光钟信噪比和消除冷原子碰撞频移；消除黑体辐射频移的方法。3）超窄线宽激光：超窄线宽激光的实现，导致光频标的不确定度向更高精度迈进。重点开展细微的物理和环境效应研究，突破亚Hz线宽。同时提高激光的频率稳定性；研究激光稳频系统中的频率噪声...
