钙离子光频标附加微运动频移不确定度的抑制

For the Ca+ optical frequency standard, the frequency shift due to the excess micromotion can be as much as E-14 level. Thus, it is very important to reduce the frequency shift due to the excess micromotion. The applicant's group has set up two Ca+ optical frequency standards and made the frequency comparison at E-17 level, the excess micromotion is limiting the comparison precision. For Ca+, there is a “magic RF trapping field frequency” at which the second-order Doppler shift and the Stark shift cancel each other. Therefore, if one can precisely measure.this frequency and set the ion trap trapped field at the “magic”frequency, the shift and uncertainty can be caused by micromotion will be reduced effectively. With micromotion sidebands spectroscopy experiment in 3 dimensions, one can minimize the excess micromotion; afterwards the “magic” frequency will be measured experimentally and the trap frequency will be set to the measured frequency. Then the frequency shift and uncertainty due to excess micromotion will be reduced by 1 or 2 orders of magnitude. Besides, the polarizability difference.between the upper and lower levels of the clock transition will be obtained, and the uncertainty due to the blackbody radiation caused by the polarizability uncertainty will be greatly reduced.

对于钙离子光频标而言，如果不加以有效控制，附加微运动引入的频移可达E-14量级；因此，如何有效降低附加微运动引入的频移就变得非常重要。申请人所在的研究组已搭建两台钙离子光频标并实现了E-17量级的频率比对，限制当前比对精度的误差来源就是离子的附加微运动。钙离子频标存在一个“魔幻射频囚禁场频率”，在该频率下，离子微运动引起的二阶Doppler频移和Stark频移大小相等，符号相反，因此，如果能将该频率精确测出并将离子阱的囚禁场频率设定为该频率，微运动引起的频率就能被有效降低。本项目提出利用三维方向探测微运动边带的方法有效抑制和评估微运动引起的频移，在此基础上精确测量“魔幻射频囚禁场频率”，并将离子阱的囚禁场设定为该频率，有望将微运动引起的频移及不确定度都降低1到2个数量级。另外，得到钟跃迁上下能级标量极化率之差，大幅降低极化率引入的黑体辐射频移不确定度。

对于钙离子光频标而言，如果不加以有效控制，附加微运动引入的频移可达E-14量级；因此，如何有效降低附加微运动引入的频移就变得非常重要。申请人所在的研究组已搭建两台钙离子光频标并实现了E-17量级的频率比对，限制当前比对精度的误差来源就是离子的附加微运动。钙离子频标存在一个“魔幻”射频囚禁场频率，在该频率下，离子微运动引起的二阶Doppler频移和Stark频移大小相等，符号相反，因此，如果能将该频率精确测出并将离子阱的囚禁场频率设定为该频率，微运动引起的频率就能被有效降低。本项目开展了钙离子光钟“魔幻”囚禁频率的测量。同时得到钙离子光频标4S1/2-3D5/2钟跃迁对应的两个能级静态极化率之差。通过优化离子的附加微运动及将离子阱的囚禁频率稳定的控制在魔幻囚禁频率处，将两台光频标的附加微运动导致的频移及不确定度均降低到E-18量级；结合实验上测得的钟跃迁静态极化率差值提高对黑体辐射频移的评估精度，同时也对原子结构理论进行了有力的验证。此外将“魔幻”囚禁频率应用于实验室常温钙离子光钟、可搬运钙离子光钟、低温钙离子光钟，将钙离子光钟中附加微运动造成的二阶Doppler频移和Stark频移抵消，将钙离子光钟的不确定度评估至3.0E-18，稳定度提升至2.5E-15/sqrt{tau}。