铷85基态超精细跃迁的精密测量及应用

Rubidium 85 is one of most important isotopes widely used in precision measurenment fields, while the uncertainty of frequency of its ground state hyperfine transitions (FGSHT)is as low as 2E-9. The project will build a atomic fountain of rubidium 85 and measure its FGSHT with an uncertainty letter than 3E-15. the device is expected to a fountain clock eliminating the effect of collision shift. And by comparing the FGSHTs of two isotopes of rubidium, the experiments will be used to identify if the fine-sturcture constant varies following time and if the strong interaction constant varies following fine-structure as prodiction of Grand Unified Theory.

85Rb同位素是一种广泛应用于精密测量领域的介质，但我们它基态超精细跃迁频率的认识还停留在2E-9的精度。本项研究是建立85Rb原子喷泉，精密测量85Rb的基态超精细跃迁频率，将它的标定精度提高到优于3E-15。有望获得消除冷原子碰撞频移影响的喷泉钟。通过该频率与87Rb钟跃迁频率的比较，验证精细结构常数随时间的变化，及它与强相互作用常数的关系,验证大统一理论。

本项目开展了建立世界上第一台铷85原子喷泉钟的研究工作，目的是将铷85工作介质的优点和喷泉钟工作原理的优点有机结合，实现第三种介质的高性能喷泉钟，对已有的铷87喷泉钟进行性能改进，使两套系统协同工作，用于高精度计量铷85钟频率，利用铷87-85喷泉钟组开展验证精细结构常数随时间的变化等的研究。.在本项目中，我们设计、加工、搭建了铷85喷泉钟装置。在该装置上，我们提出并实现了四向波导微波腔耦合、型材网格光学平台、顶部一体化磁屏蔽、两套喷泉装置激光和微波同源等创新性方案，技术指标达到设计要求，实现1E8-1E9冷原子数的原子装载，获得飞行时间信号，由Dick效应估算的喷泉钟短期稳定度为2E-13τ^-0.5。.我们搭建了铷85喷泉钟评估的精密测量平台，完成了87Rb喷泉钟的技术改进，实现短稳2.5E-13τ^-0.5，长稳优于1.2E-15，不确定度优于2E-15的标准频率输出，大于98%的准连续运行。搭建了共视比对平台，本地钟组相对GPS时的短稳为7E-13τ^-0.5。长稳约为3E-15（@4万-10万秒）。.围绕喷泉钟的研究，我们完成了多项创新性成果，利用弱磁敏跃迁将磁场测量动态范围拓展3个数量级；利用跃迁强度与磁场、激光偏振的张量关系实现磁场矢量测试；原子喷泉的磁场动态补偿将喷泉钟的磁场均匀性提高1个数量级（5nT到0.4nT）。我们实现本机振荡器直接锁定，实现喷泉钟独立运行，评估了该方法下的剩余频率漂移效应；实现用“自比对”法评估原子钟不确定度，测试误差优于7E-16@30万秒；提出并实验验证了“噪声实时分辨”方法压制喷泉钟不确定度，可以将相关误差压制约1个数量级。.本项目发展的多项创新技术提高了我们对喷泉钟的操控手段，加深了我们对喷泉钟的理解，改进了喷泉钟的性能，通过本项目搭建的两台喷泉钟实验平台可以围绕铷85精密计量、喷泉钟组性能改进、基本物理问题等开展精密计量实验研究。