单离子CPT精密磁场测量的实验研究

Precise magnetic field measurement not only affect the fine-structure constant measurement, and the determination of atomic quantized axis, but also has laid the experimental foundation for the realization of magnetometer, which has broad application prospect in the aspects of biological magnetic field measurement, deep sea exploration and so on. At present, the experiments of magnetic field precision measurement based on coherent population trapping (CPT) have been completed in the atomic system, and the atomic magnetometer has been formed and even commercialized, while the ion system is still in the exploratory stage. This project is to achieve magnetic field precision measurement based on a single ion. Ion system has its own advantages over atom’s. At present, ions can be trapped for a long time in rf Paul trap, which provides the possibility for the long-term measurement with ion system. In addition, the single ion system is less affected by external factors, which can further improve the measurement accuracy. This project chooses to study the alkaline earth metal ions, which have double Λ - three level structure. there are multiple magnetically induced CPT (MCPT): on the one hand, the MCPTs can be used to improve measurement accuracy, expected to reach pT level. The MCPTs, on the other hand, will provide a new idea to explore the manipulation of quantum states, and have important research significance.

精密磁场测量不仅影响精细结构常数的测定、原子量子化轴的确定等基本物理问题，而且精密磁场测量为磁力计的实现奠定了基础，它在生物磁场测量、深海探测等领域都具有广泛的应用前景。目前基于相干布局数囚禁（CPT）的精密磁场测量实验已在原子体系完成且原子磁力计也已成型甚至商业化，而在离子体系还处于探索性阶段。本项目就是基于单离子来实现精密磁场测量。相比于原子，离子具备自身的优势。目前基于射频Paul阱，离子可以被长期囚禁，这为离子体系的长时间测量提供了可能性，而且单离子体系受外界干扰因素影响较小，这可以进一步提高测量精度。本项目选择碱土金属离子进行研究，碱土金属离子具备双Λ-型三能级结构，其中存在多个磁场诱导CPT（MCPT）：一方面利用多个MCPT，可以更精准的测量磁场灵敏度，预期达到pT量级；另一方面多个MCPT，为探索量子态的操控提供新的方向，具备重要的科研价值。

精密测量物理是科学问题探索和精密测量技术的融合，而量子精密测量则是在量子物理学和精密测量物理的基础上发展起来的学科。精密磁场测量作为精密测量的重要分支，成为目前最重要的研究热点之一，不同体系的精密磁场测量在国内外研究团队正在开展。本项目正是基于囚禁离子体系，开展单离子CPT的精密磁场测量研究。针对单个囚禁离子，体系中存在多个Λ-型三能级结构，在磁场的作用下，会产生相干布局囚禁（CPT）暗态。此暗态对磁场非常敏感，正是利用此特性，本项目通过测定暗态间接评估磁场大小。受疫情影响，本项目在新建平台上开展，平台的搭建及离子囚禁的稳定性成为最核心的技术难题。为此我们投入较多精力，并取得了一定的成效。目前平台已经完成优化离子阱射频囚禁系统，包括囚禁系统阻抗匹配分析，实现快速匹配，同时完成设计可调式螺旋谐振器，实现射频囚禁频率大范围连续可调。成果分别发表在（中国，ZL202122672367.6[P].（2022）.；Chin. Phys. B 31, 093201 (2022)），这为实现长期稳定的单离子量子态奠定了的基础。同时我们开展了探寻磁诱导CPT的相关实验，并获取了初步的信号，但由于离子囚禁稳定性的影响，磁场测量评估结果不理想。目前已解决先前的问题，实验顺利开展中，同时疫情放开，不同平台不同离子的测量实验将会继续进行，这将会推动单离子磁力计的发展，也为磁场探测提供一种新的工具。