光頻標(biāo)是目前精度最高的原子頻標(biāo)，不但關(guān)乎國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、國家信息和國防建設(shè)等重大國家需求，而且是驗(yàn)證基本物理規(guī)律和探索新物理的重要工具之一。目前，冷原子/離子光頻標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了10^-18量級的不確定度和穩(wěn)定度。利用這樣的光頻標(biāo)已高精度地檢驗(yàn)引力紅移、洛倫茲不變性和檢驗(yàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是否隨時間變化等。但人們對精密測量極限的追求是永遠(yuǎn)的目標(biāo)。我們能有更高精度的光頻標(biāo)嗎？Derevianko等人在理論上指出高離化態(tài)離子(HCI)適合研制不確定度達(dá)到10^-19甚至更低的光頻標(biāo)，應(yīng)用于更高精度檢驗(yàn)基本物理規(guī)律，尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。2015年，德國馬普研究所的Crespo López-Urrutia研究組和德國PTB的Schmidt研究組合作，率先開展了基于Ar¹³⁺的HCI光鐘的研究，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了Ar¹³⁺的邏輯光譜探測。然而，在國際上，HCI光鐘相關(guān)的研究仍處于起步階段，原子譜線數(shù)據(jù)庫中高精度的HCI離子相關(guān)數(shù)據(jù)仍存在部分缺失，HCI光鐘相關(guān)的部分技術(shù)尚未成熟。因此，探尋HCI光鐘的優(yōu)選體系/對象和搭建HCI光鐘的實(shí)驗(yàn)平臺是精密測量物理領(lǐng)域中理論和實(shí)驗(yàn)的前沿課題。

　　中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院抓住這個新機(jī)遇，及時開展了HCI光鐘的理論和實(shí)驗(yàn)研究。精密測量院囚禁離子物理研究團(tuán)隊(duì)同復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)合作，于2019年成功研制了一臺小型高溫超導(dǎo)電子束離子阱(SW-EBIT)。測試結(jié)果表明，該EBIT具備產(chǎn)生并引出HCI離子能力，可以作為HCI光鐘所需的離子源。(《科學(xué)儀器評論》(Rev. Sci. Instrum. 90, 093301 (2019)))。在此基礎(chǔ)上，精密測量院囚禁離子物理組和外場理論組、加拿大新不倫瑞克大學(xué)嚴(yán)宗朝教授和美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)Derevianko組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在理論上詳細(xì)計(jì)算了Ni不同價態(tài)HCI離子的原子結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析得出⁶¹Ni¹¹⁺、⁶¹Ni¹²⁺、⁶¹Ni¹⁴⁺和⁶¹Ni¹⁵⁺離子中的4條磁偶極(M1)和2條電四極(E2)光學(xué)躍遷非常適合研制新一代光鐘。在實(shí)驗(yàn)上，基于SW-EBIT成功制備了這些離子，并首次使用共軛的觀測與?？坦鈱W(xué)系統(tǒng)直接或間接測量了其中4條M1躍遷和1條E2躍遷的波長。其波長測量值的不確定度比NIST推薦值小1-2個量級，其中2條M1躍遷為首次在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境被直接觀測到。該工作結(jié)合高精度原子結(jié)構(gòu)理論計(jì)算和高精度離子光譜實(shí)驗(yàn)測量，首次在單一元素中提出了多個HCI光鐘候選體系，豐富了實(shí)驗(yàn)對象的選擇。為后續(xù)研究工作中的HCI離子減速、協(xié)同冷卻和量子邏輯光譜探測打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時，該工作也為天體物理和等離子物理提供了更高效、更精確的發(fā)射熒光光譜測量方案和可靠的觀測數(shù)據(jù)。(《物理學(xué)評論A》(Phys. Rev. A 103, 022804(2021)))。

　　以上工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)和國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。 

　　論文鏈接：

     《科學(xué)儀器評論》: https://doi.org/10.1063/1.5112154.

     《物理學(xué)評論A》: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.103.022804.