前沿进展 | 世界首次实现非重力压制下的锶原子浅光晶格赫兹窄谱

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

1 导读

目前，世界各强国都在计划未来将微波原子钟替换为性能更高的光钟。然而，如何压制晶格间量子隧穿效应导致的谱线展宽，一直是光钟研究领域最核心的问题之一。近日，中国科学院国家授时中心常宏研究员带领的实验成员与重庆大学物理学院汪涛博士、张学锋教授带领的理论成员组成的团队，国际上首次利用弗洛凯技术在锶原子浅光晶格钟平台上将kHz的谱线压窄到Hz级别。该实验不仅为量子精密测量提供了新的思路，也向空间光钟迈出了重要的一步。研究成果以“Floquet Engineering Hz-Level Rabi Spectra in Shallow Optical Lattice Clock”为题，于2022年2月17日发表在Physical Review Letters (PRL)上。此研究成果为该团队继Phys. Rev. Lett. 127, 033601 (2021)发表半年之后第二篇锶光钟方向的PRL。标志着本团队在锶光钟研究领域从“跟跑”变为“小有特色”。2022 | 前沿进展

2 研究背景

2022年1月20日，美国国防高级研究计划局（DARPA）发布，计划将GPS卫星上的原子钟全部替换成光钟，从而使测量精度得到百倍的提升。随后，2月16日，美国国家标准局叶军研究组将锶原子光晶格钟的测量精度推进到10^-21，即在宇宙年龄内不到万分之一秒的误差，其可以观测到一微米内引力造成的时空弯曲效应，其工作作为封面文章发表在Nature上。光钟，是通过激光冷却技术，将大量超冷原子装载在由多束激光组成的“鸡蛋盒”中。因为每个原子内部的两个特定能级都可以用来“校对”激光的频率，从而可以提供极其准确的频率信号。目前世界上最强的时间频率测量平台，便是锶原子光晶格钟平台。根据量子力学，当原子温度接近绝对零度的时候，其量子不确定性将增强，从而导致测量精度下降。因此，通常会采用重力来压制原子的量子隧穿效应。然而，当光晶格钟被送上太空之时，引力将变得非常微弱，从而很难找到方法抑制量子隧穿——这是实现高性能空间光钟人们必须要解决的难题。

3 研究创新点

通常，一维锶原子浅光晶格是通过一强一弱两束对射激光形成驻波而成。由于晶格之间的势垒较小，格点之间的量子隧穿随之变强，当晶格浅到一定程度时，会引起原子密度态的发散被称为范霍夫奇点（VHS），这会导致锶原子从¹S₀到³P₀能级跃迁对应的拉比谱线劈裂并展宽，如图1(b)所示。同时，在光晶格量子模拟领域，格点间量子隧穿效应可以通过周期性驱动系统参数来抑制，也就是所谓的弗洛凯(Floquet)设计。

图1 （a）锶原子光晶格钟周期驱动平台实验装置示意图；（b）无周期驱动情况下的拉比谱；（c）周期驱动情况下的拉比谱

该团队将弗洛凯设计应用于锶光钟平台，装置示意图如图1(a)所示。利用声光调制器在晶格激光上加载一个三角波调制信号，实验中，我们对弱侧晶格激光的频率进行周期性调制，从而将整个光晶格晃动起来。之所以选用三角波信号而不是通常使用的正弦波信号，是由于三角波不仅可以抑制相邻格点间的隧穿效应，同时还可抑制次邻近格点间的隧穿效应。如果转换到相对光晶格静止的表象下，则锶原子会感受到三角波形的有效速度v和额外的方波波形的有效力F。在这种有效驱动下，拉比频率和量子隧穿幅度被有效地改变，通过对系统参数进行细致的选择，最终如图1（b-c）所示，在晶格深度仅为9.1个Er时，kHz的拉比谱线被压窄到5.4 Hz。这是光钟领域首次在浅光晶格中不借助重力成功的实现Hz量级的拉比谱，具有非常强的创新性和独立性。

4 总结与展望在所有的物理量中，时间频率具有最高的精度和稳定度。光钟的研究不仅处在世界科技的最前沿，同时也与国家对高精度时频的重大需求紧密相连。相比于美国国家标准局和日本东京大学引领的世界光钟研究前沿，我国的光钟研究长期处于“跟跑”阶段，具有相当大的差距。如何在基础薄弱、实验条件相对落后、核心部件“卡脖子”的情况寻求突破，只能依靠自力更生、依靠原始创新。近期通过理论与实验的紧密结合，该团队在光钟的研究上实现了一系列具有代表性的原创性工作，在2021年7月观测到弗洛凯准粒子干涉，并被PRL接收后。2022年2月17日，在叶军教授团队的关于浅晶格文章在Nature发表一天之后，该团队浅晶格窄谱的文章时隔半年再次被PRL接收。实现了我国在锶原子光晶格钟研究上从原来的“努力跟跑“到现在具有独立创新的转变。未来，该团队将继续秉承理论实验紧密结合的主要思想，进一步做出原创性的工作，为我国的时频事业走向世界一流努力。该工作由中国科学院国家授时中心和重庆大学物理学院共同完成。中国科学院国家授时中心尹默娟和卢晓同博士为论文共同第一作者。中国科学院国家授时中心常宏研究员和重庆大学物理学院汪涛博士、张学锋教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金委，中组部“海外高层次人才引进计划”，中国博士后科学基金项目和中央军科委“国防科技创新特区”项目的大力支持。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.073603

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编辑 | 方紫璇

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