研究快讯 | 锶原子光晶格钟上的弗洛凯精密调控：拉比谱及灵敏度

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 8 May 2021; 

online 8 June 2021

EXPRESS LETTER

Rabi Spectroscopy and Sensitivity of a Floquet Engineered Optical Lattice Clock

Mo-Juan Yin(尹默娟), Tao Wang(汪涛), Xiao-Tong Lu(卢晓同), Ting Li(李婷), Ye-Bing Wang(王叶兵), Xue-Feng Zhang(张学锋), Wei-Dong Li(李卫东), Augusto Smerzi, and Hong Chang(常宏)

Chin. Phys. Lett. 2021 38 (7): 073201

文章亮点

本实验通过设计全新的周期性调制方法，首次在锶原子光晶格钟平台上实现了弗洛凯(Floquet)调控。同时，结合光钟平台的高精度优势，首次在冷原子系统中观测到低频（~100 Hz）弗洛凯准能级，并利用多模驱动，实现对特定边带的选择性调控。最后，通过Fisher信息熵对谱线的灵敏度进行了分析，发现周期调制并未在系统中引入额外噪声。

锶原子光晶格钟上的弗洛凯精密调控：拉比谱及灵敏度

研究背景

理查德·费曼提出量子模拟的概念以来，一个具有超高精度，超高稳定度和超强可调性的量子模拟平台便成为众多研究组所追求的终极目标。作为下一代时间标准的重要候选者，锶原子光晶格钟在准确度和稳定度方面都进入了10^-18。作为现今最准确的测量平台之一，其还具有激发态长寿命和SU(N)对称性等额外的优势，因此近年来受到量子模拟领域的强烈关注。另一方面，弗洛凯设计（Floquet Engineering）作为一种常用的实验手段已经在碱金属冷原子系统中得到了广泛应用，其利用周期性驱动系统参数得到有效静态哈密顿量，从而增强了系统的可调性，拓展了量子模拟的范围。那么，将弗洛凯设计和锶原子光晶格钟平台相结合，便成为通向“终极目标”最自然的道路，其对量子模拟具有及其深远的意义。

内容简介

最近，中国科学院国家授时中心常宏研究员、重庆大学张学锋教授所带领的研究团队与山西大学李卫东教授、Augusto Smerzi教授合作，在锶87冷原子光晶格钟平台上首次实现了弗洛凯调控。该工作引入了一种新颖巧妙的调制方式-通过对晶格入射光的频率进行周期驱动-实现了对原子内态能级的周期调制，但不改变原子的外态分布，从而成功实现了对Landau-Zener哈密顿量的量子模拟。尹默娟博士为本文实验方面第一作者，汪涛博士为理论方面第一作者。

不同于通常的弗洛凯调控，本实验选择了低频驱动（~100 Hz），但借助于锶原子光晶格钟窄线宽（~1 Hz）的特性，多达10条弗洛凯边带可以很好地在拉比谱中区分开来。实验和理论结果吻合的非常好，这表明目标哈密顿量以非常高的精度被模拟出来。此外，当多模调制被引入之后，每一个特定能级都可以被精准调控，展现出系统极为优秀的调制能力。最后，通过从实验数据中提取的Fisher信息熵对准能级拉比谱的灵敏度进行分析，我们发现相对于没有调制的系统，谱的展宽和分辨率并没有明显的恶化，由此证明周期调制并未引入额外的噪声。

该工作为后续通过弗洛凯设计在锶光钟平台上实现更为新颖的哈密顿量的模拟打下了基础，详情见团队后续工作：Physical Review Letters - Accepted Paper: Doubly modulated optical lattice Clock: Interference and topology（arXiv: 2009.11671）。

锶原子光晶格钟实现弗洛凯设计。上图：实验装置示意图。左下：在多模调制模式下，成功实现在其他阶边带激发率基本不变的条件下，独立抑制第二阶边带激发率到零。右下：选取零阶和一阶弗洛凯边带进行理论实验对比，发现对应的弗洛凯拉比频率与拉比频率之比随调制幅度变化满足理论预言的贝塞尔函数行为。

研究意义和重要性

实验上通过对晶格光频率进行周期性驱动，首次在锶原子光晶格钟平台上实现超高精度和超强可调性的弗洛凯调控。同时，通过Fisher信息熵的研究表明周期调制并不会带来额外的噪声，也不会破坏光钟系统超高的稳定性，从而为未来在锶光晶格钟平台上通过量子设计模拟新颖的量子多体哈密顿量铺平了道路。

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