基于量子逻辑技术的镁—铝离子光频标钟跃迁探测

论文摘要

随着科学技术的发展,人们对时间的认识不断加深,狭义相对论更将时间的概念提到新的维度,同时对时间精度的要求越来越高。从恒星日到石英晶振,再到铯原子微波钟,人类对于秒定义的相对不确定度已经达到10-16,足以观测到相对论效应,并广泛应用于基础物理和现代工业。此外,秒定义的精度是所有物理单位最高的。得益于时间频率的转换t=1/f,科学家通过对频率的高精度测量转换为对时间的高精度测量,同时频率测量特有的高精度也可以衍生到电流、电压、长度的标定,从而提高其他基本单位的精度。另一方面,科学家早已不满足于频率标准10-16的相对不确定度,开始研究更高精度的频率标准,成功实现了多种元素的原子、离子光钟,目前已有10-19量级的光钟问世,为下一代秒定义打下基础。课题组在此背景下,基于铝离子光钟对黑体辐射不敏感的天然优越性,开展了基于量子逻辑技术的镁-铝离子光频标系统研究。实现了相应的关键技术,完成超高真空度（10-8 Pa）的真空系统、荧光采集系统、光路系统搭建,采用双光子离化的方式成功离化镁原子,同时囚禁镁单离子。本人博士课题是在此实验基础上,进行镁-铝离子光频标钟跃迁探测工作,主要包括以下三个方面:1、设计了新型离子阱结构。保证0.2%的整体荧光采集率,同时实验上测量离子感受的加热率为2.3（4）phonon/s。2、提出了高效的拉曼边带冷却方案。采用二阶和一阶拉曼边带冷却相结合的方式,通过拉曼边带冷却,3 ms时间内将镁离子从多普勒极限温度1 mK、平均振动量子数n=17（3）冷却到n=0.01（1）,对应温度为77 μK。3、在激光和原子相互作用的理论基础上,构建了铝离子速率方程模拟体系,模拟了铝离子态制备的过程。实验上将镁-铝双离子拉曼边带冷却到振动基态,质心模平均振动量子数为n=0.01（1）,呼吸模n=0.1（1）,在课题组共同努力下,成功探测到铝离子| 1S0,F=5/2>→|3P1,F=7/2>量子逻辑信号。基于以上工作基础,本人博士期间提出钟跃迁探测方案,实验上与课题组成员一起,成功测得铝离子|1S0>→| 3P0>钟跃迁信号,线宽在0.8（1）kHz。本人博士期间的工作,为今后实现镁-铝离子光频标系统闭环锁定、误差评估奠定了坚实的基础。

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 车煌

导师: 陆泽晃,邓科

关键词: 光频标,拉曼边带冷却,量子逻辑技术,钟跃迁探测

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,电力工业

单位: 华中科技大学

分类号: TM935.115;O413

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004454

总页数: 149

文件大小: 6481K

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