高电荷态离子结构的高精度计算与光频标优选体系搜寻

Optical clock transitions in highly charged ions (HCIs) are of lower fractional frequency uncertainty down to E-19 and has shown great potentials for precision measurement of fundamental physical constants, exploration of possible variation of physical constants, and test of basic physical theory at higher precision levels. However, as limited by scarcity of theoretical data and difficulty in experiments, none of the previously proposed highly charged ions is adopted in optical clocks so far. In this proposal, aiming to atomic frequency standard with higher precision, we are designed to develop high accuracy many-body theories and numerical methods of atomic structures to predict precise data of energy and properties of optical transitions, evaluate various systematical uncertainty due to external perturbations, and search promising HCI optical clock candidates that have simple energy-level structure, narrow linewidth down to sub-Hz, low sensibility to external perturbation, and being adapting to simultaneous interrogation and active clock laser output of multiple ions in specially designed traps, etc. We are going to propose selected HCIs for future development of HCI optical clocks. We have carried out relativistic coupled cluster calculations of several HCI isoelectronic sequences and proposed four new selected HCIs, which have simple energy-level structure, linewidth around sub-Hz, cooling lines, and fractional frequency uncertainty being less than E-19. We are going to find HCI candidates having excellent energy properties and strong technical feasibility and provide the high-accuracy data of frequencies and systematical uncertainties due to external perturbations.

高电荷态离子（HCI）光钟跃迁频率不确定度理论预期可低至E-19，将为原子时频标准提供新的频率参考跃迁，在更高精度水平上测量基本物理量、探索物理常数变化和验证基本物理定律。然而，由于数据缺乏和实验困难，目前还没有一种高电荷态离子被光频标实验所采纳。本项目拟围绕更高精度光频标的发展目标，开展相对论多体原子结构理论研究与计算，精确预言HCI能级和外场响应性质，寻找能级结构简单、自然线宽低于亚赫兹、对外场扰动不敏感、可实现多个离子同时探寻和主动激光的HCI光学跃迁，遴选适合光钟研制的HCI优选体系。我们已经开展了多个HCI等电子序列能级结构的相对论耦合簇计算，提出了四个新的HCI光钟候选离子，具有能级简单、钟跃迁线宽为亚赫兹、有冷却线和频率不确定度预期优于E-19的特点，具备了一定研究基础。本项目将为HCI光钟研制找到性质优越、技术可行性高的光频参考跃迁，并提供光谱和不确定度评估的高精度数据。

高电荷态离子（HCI）光钟跃迁频率不确定度理论预期可低至E-19，将为原子时频标准提供新的频率参考跃迁，在更高精度水平上测量基本物理量、探索物理常数变化和验证基本物理定律。本项目发展了高电荷态离子能级和结构性质的相对论计算方法，进行了一系列高电荷态离子的光学跃迁能级和光谱性质的高精度计算，提出了Nd9+、S11+-K14+和Nb10+-Ru13+等高电荷态光钟候选离子，完成了高电荷态离子钟外场扰动导致的各种误差的严格评估，精确预言了一系列光钟跃迁性质和能级频移的高精度数据，包括：..(1) 提出了Nd9+离子的5p24f基态与5p4f2激发态之间的5p-4f电子轨道交叉能级，并得到能级寿命、gJ因子、电四极矩、磁偶极子超精细结构等精确数据，发现了适用于短线宽（千分之一赫兹）钟线的长寿命态，钟跃迁具有很高的精细结构常数α随时间变化和洛伦兹不变性的违反的相对论敏感系数，在验证和寻找超越标准模型的新物理的精密测量研究中具有重要应用意义。提出了类硼和类镓高电荷态离子光钟跃迁，探索了其在10-19精度量级光钟的应用。..(2) 提出了冷原子Cs原子光晶格主动光钟，给出了魔波长和光晶格囚禁方案，预测了其频率不确定性，提出了Cd 原子光钟的静电偶极极化率和电四极距极化率、超极化率的高精度推荐数据，进一步，我们还提出了Nd9+高电荷态离子主动钟方案。..(3) 利用大规模高精度相对论原子结构计算，进行各种原子离子量子时频方案的精密光谱计算，得到电及磁的极化系数等数据，给出黑体辐射等频移的理论计算值，为实验组提供相关数据，提出了Cd+、Yb+ 、 Hg+ 微波原子钟的基态朗德g因子的高精度数据修正，理论数据不确定度分别达到10-6，10-4 和10-5量级，完成了Cd+离子钟塞曼频移不确定度不确定性严格评估，完成了Cd原子同位素位移因子的理论和实验研究。..课题共发表SCI 文章9篇，其中Phys. Rev. 系列文章5篇，撰写了高电荷态离子光钟和精细结构常数随时间变化的光钟检验的综述。总体上，课题圆满地完成了预期研究任务，我们建议的一些高价离子光钟的候选体系和提出的高精度原子结构数据为相关实验团队的相关工作开展提供了理论依据，为HCI光钟研制找到性质优越、技术可行性高的光频参考跃迁，并提供了光谱和不确定度评估的高精度数据。