華東師大精密光譜科學與技術國家重點實驗室徐信業課題組實現了對冷鐿原子光鐘的絕對頻率的精確測量，相關數據已上報國際計量委員會，并于近期被成功采納。這是我國首次向國際組織成功上報鐿原子絕對頻率數據，對我國在下一輪國際單位“秒”定義修改過程中爭得話語權具有重要意義。相關成果已發表于國際學術期刊Metrologia上（Metrologia 2020,57,065017)，得到了審稿人的積極評價：“他們的測量值與國際計量委員會所認可的作為國際單位‘秒’二級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，與中國計量科學研究院等單位合作完成；駱莉夢博士生為論文第一作者，徐信業教授、梁坤研究員和周敏專任副研究員為論文共同通訊作者。
精密測量是現代科學技術發展的基礎，其中頻率測量具有最高的測量精度，決定著其它許多物理量和物理常數的準確度。現行頻率標準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個數量級的理論提升空間，因此具有更大的發展潛力。經過多年的發展，光鐘各項性能指標基本全面優于最好的微波原子鐘，已有望成為下一代時間頻率標準并用于重新定義國際單位“秒”。
自2006年以來，徐信業課題組一直致力于研究可應用在計量、通信和精密測量等領域的冷鐿原子光鐘，相關成果已發表在Nat. Commun.、Phys. Rev. A、Opt. Express等期刊上。鐿原子（171Yb）因其具有窄躍遷線寬（約10 mHz），核自旋I=1/2，塞曼磁能級相對簡單，冷卻和探詢所需的激光波長均在可見波段等優勢，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極其復雜的系統，實現起來非常難，極具挑戰性；它主要有三部分組成：冷鐿原子系統、超穩578 nm鐘激光系統和光梳測量系統。其中，冷鐿原子系統是光鐘的核心部件，在超高真空環境下利用6種不同波長的激光，分別對鐿原子實現激光冷卻、光晶格囚禁、自旋極化和歸一化探測等作用，最終在實驗上獲得了溫度為幾微開爾文、空間呈晶格點分布的冷鐿原子團；其中的6種不同波長的激光，它們的頻率和功率都必須被同時鎖定，這是相當難的一項工作，但課題組經過多年攻關，最后都被實現。
此外，徐信業教授課題組經過幾年努力，搭建了一套超穩光學參考腔系統，通過精密溫度控制、極好振動隔離和精確的頻率鎖定等技術，研制了亞Hz線寬的578 nm鐘激光。最終將578 nm鐘激光鎖定到冷鐿原子躍遷譜線，實現了冷鐿原子光鐘的閉環鎖定；隨后又完成了冷鐿原子光鐘頻率不確定度全面評估的艱巨工作；利用光梳搭建了光頻-微波頻的傳遞鏈路，實現了鐿原子鐘躍遷頻率的精密測量。
目前徐信業教授課題組已成功研制了具有國際先進水平的兩套冷鐿原子光鐘，實現了鐿原子光鐘長時間的穩定鎖定，鎖定的長期不穩定度達到了9×10-18@20000s；并通過兩套鐿原子光鐘同步比對實驗，獲得了單臺光鐘的不穩定度為4.6×10-16/τ1/2，非常接近所使用超穩FP腔的熱噪聲極限；另外，獲得了接近傅里葉極限線寬的1.9 Hz超窄鐘躍遷譜線。
圖1：(a)冷鐿原子光鐘系統實景圖；(b)冷鐿原子光鐘正在運行
對絕對頻率進行測量是光鐘研究的重要內容之一，也標志著光鐘系統的最終建立。在學校和實驗室支持下，徐信業課題組自2015年開始建設提供本地頻率基準的氫鐘系統，搭建華東師范大學（上海）和中國計量科學研究院（北京）間的GPS載波相位頻率傳遞鏈路。在2019年底，課題組開始進行絕對頻率測量實驗，將光梳參考在氫鐘上，并通過已建立的GPS載波相位頻率傳遞鏈路進行校準，最終將光鐘頻率溯源到國際單位制“秒”上。基于十五天光鐘運行的測量數據，通過對整個測量系統及傳遞鏈路不確定度的評估，與中國計量科學研究院合作進行長達半年的數據處理，最終獲得了171Yb 6s21S0-6s6p 3P0躍遷的絕對頻率值為518 295 836 590 863.30(38) Hz，相應不確定度為7.3×10-16。之后，課題組通過中國計量科學研究院向國際時間頻率咨詢委員會（CCTF）提交了冷鐿原子光鐘絕對頻率測量值，在2020年11月收到通知：“來自華東師大的171Yb數據已經在上個月被國際頻率標準工作小組（WGFS）接受，并已經被發表”。
圖2：(a)冷鐿原子光鐘絕對頻率測量示意圖；
(b)國際上鐿原子光鐘小組絕對頻率測量值匯總，其中紅色點表示徐信業教授課題組的測量值
絕對頻率的測量為我國建立基于光鐘的新一代時間頻率計量體系奠定技術基礎，將對促進基本科學問題的研究、提高有賴于時間基準的導航定位系統的精度（如：我國北斗系統）、高速通信以及深空探測等領域具有重大的應用價值；同時也將對**安全建設和國民經濟建設等領域具有重要的推動作用。
徐信業課題組長期開展冷鐿原子光鐘研究工作，得到了國家重點研發計劃、國家基金委重點項目、上海市市級科技重大專項等的重要資助。
圖文、來源｜精密光譜科學與技術國家重點實驗室 編輯｜古麗達娜· 巴哈提 編審｜郭文君
