原子频标物理与技术基础.pdf

项目名称 原子频标物理与技术基础 原子频标物理与技术基础 首席科学家 高克林 中国科学院武汉物理与数学研 究所 高克林 中国科学院武汉物理与数学研 究所 起止年限 2005 12 至 2010 11 2005 12 至 2010 11 依托部门 中国科学院 中国科学院 科研中国 www SciE 收集于网络 仅供参考 一 研究内容 决定原子频标的准确度和稳定度的因素主要是谱线的宽度和稳定性 伺服系 统的信噪比和外界环境的影响 而影响原子谱线精确度的根源 在于环境对原子 能级的干扰以及与原子分子运动有关的各种效应 而稳定度取决于这些因素随时 间的变化关系 与环境隔离 离子阱 或将原子冷却 冷原子 就是主要的手段 而随着频率稳定度提高 在更高阶水平上一些更细微和新的影响因素将显露出 来 如多体碰撞效应 Dick 效应 量子噪声 相对论效应等 目前在此领域主要探索的问题是 寻找具备超窄谱线的新原子体系 激光冷 却与操控原子新的物理机制与方法 各种影响新一代原子频标准确度的物理起 源 极端条件下不同物理起源的噪声理论 冷原子碰撞的物理研究及其对频标的 影响 用于原子跃迁谱线探测的超窄线宽激光的激光物理等 本项目拟解决的关键科学问题是本项目拟解决的关键科学问题是 有效的冷原子 离子 的制备和控制方法 碱土金属原子和奇同位素离子的 光频标机理 超冷原子实现频标的探索 新颖的冷原子相干布居囚禁频标的实现 影响原子喷泉频标准确度和稳定度的高阶小量的物理因素和克服途径 新原理和 新方法用于提高实用原子频标精确度的可能性 微重力环境下的空间冷原子频标 特性 本项目的重要研究内容为本项目的重要研究内容为 1 新型原子频标的物理基础新型原子频标的物理基础 针对冷原子和冷离子频标 研究掌握实现原子 和离子的有效冷却和提高冷原子密度的方法 研究利用光学势阱囚禁原子 的方法 冷碱土金属原子双光子跃迁和奇同位素离子的超精细结构研究 探索减少线宽和提高信噪比的物理途径 以及减小频移方案 准确度评定 中频率不确定度的精确表述和测量 由此 探索利用碱土金属原子和奇同 位素离子以及超冷原子形成高精度新颖频标工作物质的可能性 2 实用原子频标的新方法与新技术实用原子频标的新方法与新技术 分析影响原子喷泉频标准确度和稳定度 的高阶小量的物理因素和克服途径 研究连续原子喷泉 进一步提高铯喷 泉的稳定性 研究铷泡原子频标的信噪比问题 探讨避免壁碰撞频移和微 波功率频移以提高长期与短期稳定度的新方法 采用场移式微波谐振腔结 构 开展空间传输以及微重力条件下的微波和冷原子相互作用的实验研 究 3 原子频标新原理和新方案探索 原子频标新原理和新方案探索 研究量子纠缠 量子相干 量子信息存取 等在频标中的应用原理与方案 探索利用这些原理和方法克服各种频移 压窄线 宽的途径 探讨原子的精密计算方法以及新原子频标的体系和方案 二 预期目标 总体目标总体目标 研究原子频标相关的基础物理问题和关键技术 在新原理原子频 科研中国 www SciE 收集于网络 仅供参考 标的方案研究和技术实现方面有所创新和突破 改进国家独立的时频标准系 统的性能 与国家 部门和地方支持的其他相关项目相互配合 为我国建立 处于世界前列的原子频标打好理论和技术基础 并以此推动我国精密谱测量 研究 力争在不远的将来在我国研制出世界上最精密 最准确的原子频标 五年预期目标五年预期目标 原子频标的发展面临许多的挑战和机会 需要不懈的努力和 探索 以及雄厚的技术积累和储备 本项目将选择冷原子和新原理频标作为 主攻方向 掌握原子频标的若干关键技术 取得研究上的重要突破和进展 同时 培养一支研究骨干队伍 形成若干国内研究基地 为发展我国的原子 频标的长期目标打下扎实的基础 具体目标是 1 新型原子频标的机理方面的突破 利用激光冷却 蒸发冷却以及光学 势阱等技术获得极低温 高稳定的优质冷原子和冷离子 探讨克服冷原子碰 撞效应方法 功率频移 光 微波 机理和减小方法 冷原子运动和量子态 的精密操控方案 在冷碱土金属原子的双光子和奇同位素离子光频标以及超 冷原子频标方面有所突破 研制稳定度优于 1 10 14 秒的相干冷原子频标和稳 定度优于 1 10 15 秒的碱土原子光学频率标准 2 研究实用频标的新方法和新技术 通过对原子喷泉的性能的改进和新 的连续原子喷泉的研究 将原子喷泉频标的准确度提高到优于 1 10 15 改进 国家的频率基准 用新原理提高铷原子频标的准确度 使铷原子频标的长期 稳定度优于 1 10 14 年 满足国家的需求 3 发展适用于空间原子频标新方案的各种单元关键技术 采用新的场移 式微波谐振腔结构 突破由于冷原子热分布导致的原子与微波场相互作用时 间不同而对空间原子频标精度的限制 完成可应用于国防 GPS 系统的空间原 子钟新方案的原理性地面验证 为空间冷原子钟样机提供保证 4 新概念和新原理的量子频标探索 探讨量子纠缠 量子相干信息储存 等在频标中的应用 发展用于原子频标的各种原子参数的精确计算方法和多 体碰撞理论 建立各种原子频标的准确度和稳定度的评定方法 探索精密时 标在物理问题中的应用 三 研究方案 本项目以原子频标中的基本科学问题和关键技术作为主要研究内容 本项目 为突出重点 兼顾中 长期战略需求 将着重解决原子频标中的压窄线宽 提高 信噪比以及降低和控制频移等关键问题 集成全国已有的有限研究原子频标的力 量 分三个层次组织课题的实施 将以冷原子频标为研究重点 同时探索新的原 子频标新原理与新方案 采用新方法和新技术以提高实用原子频标的性能 科研中国 www SciE 收集于网络 仅供参考 本项目的学术思想 技术途径有如下的特色和创新点 1 瞄准原子频标领域中最重要的科学问题开展创新性的研究 由于激光囚禁 和冷却原子的发展 使精密谱测量和原子频标进入了一个崭新的领域 而 量子相干和量子纠缠等新原理和方法可望在原子频标中得到应用 将有可 能从原理上彻底解决现有技术途径原则上不可避免的误差来源 为此我们 在开展理论研究的同时 在实验上开展探索性的工作 利用具有外层双电子的碱土金属原子 如Sr Ba 两个 1S 0单重态之间位于 光学频段的双光子跃迁作为候选原子光学频率标准 由于上下能级均为 ns 1S 0 F 0 态 对外场不敏感 预期该种光频标将会有极好的频率准确 度和稳定度 将能级外场特性 双电子相关等原子物理基础问题与光学 频率标准联系起来 与激光冷却原子相结合 具有更好性能的冷原子光 频标的潜在优势 目前离子光频标中对精确度影响较大的因素有电四极频移 交直流磁场 效应和黑体斯塔克频移 而量子投影噪声可能是限制其极限稳定度的主 要原因 为此可选择与磁场效应不敏感的奇同位素 43Ca 为侯选的体系 探讨用纠缠的冷离子减小相关频移而实现更高性能的新颖光频标 探索利用光晶格囚禁超冷原子作为频标的新工作物质的可能性 利用激 光冷却 蒸发冷却以及磁阱与光学晶格势阱的方法 获得超低温原子气 体 探索并通过低光频移光学势阱直接获得高精度参考谱线的方法 研 制高性能的原子频标 提出冷原子相干布居数囚禁 CPT 频标的设想 结合冷原子的特性和 相干布居数囚禁原理 可望保持冷原子频标的高性能指标 同时具有 CPT 频标的小型化和窄线宽的优点 2 探讨实用原子频标的新方法和新技术 提高频标的稳定度 满足国家的需 求 目前的原子喷泉频率标准是间断性的脉冲式工作的 在稳定度 准确度 方面存在的主要缺陷是较大的碰撞频移限制了准确度提高 而脉冲工作 带来的锁定 死 时间引起 Dick 效应降低了频标的稳定度 为此我们提 出的是一个全新的方案 拟采用聚焦激光和二维光学粘团的方法获得高 度定向的慢速原子束 用渐变磁场中磁共振办法制备原子的初态和在微 波谐振腔内产生钟跃迁共振等方案 研制连续原子喷泉频标 克服 Dick 效应 改进国家频率基准的性能 新型空间钟的特性研究 采用积分球与保偏光纤组成新势阱 利用新势 阱中的多普勒冷却和偏振梯度冷却的联合作用 实现冷原子的制备与收 集 并采用场移式空间原子钟方案 此方法的优点是 与单速原子的干 涉条纹近似 Ramey 干涉条纹与速度分布为二次无关 所有原子与腔相互 作用时间均相同 理论分析表明其腔相移比现在设计的空间钟 PHARAO 小 科研中国 www SciE 收集于网络 仅供参考 5 将量子光学的信息存储原理应用于原子钟 广泛应用的 Rb 原子频标的 长期稳定度主要受限于 光频移 器壁效应和碰撞频移 因而可考虑利 用光信息存储时没有光子存在的特点 使原子的微波跃迁不受光场的影 响 从而消除光频移效应 由于存储信号仅限于光束内 可以克服壁移 效应 利用光存储的效应 提高信噪比 由此解决影响原子频标长期稳 定度的物理问题 四 年度计划 研究内容 预期目标 第 一 年 单元技术和关键问题的研究 冷原子和冷离子的囚禁和 冷却 超窄线宽激光器的设计和 装配 喷泉钟的系统 原子相干效应的研究 冷原子系统和原子离子的 冷却离子的量子跃迁信号 喷泉频标的系统误差分析 结果 冷原子的基础实验 科研中国 www SciE 收集于网络 仅供参考 研究内容 预期目标 第 二 年 蒸发冷却以及光学势阱 不同激光的超窄线宽和 稳定的研究 全面的实验 1 实现冷原子的 Blue MOT 2 实现光晶格中的超冷原子 3 喷泉频标 Ramsey 条纹和改 进的初步结果 4 初步的稳频激光系统 几 10Hz 5 离子钟跃迁的信号 6 铷频标的性能改进 7 相干原子频标的实现 8 Ba 离子的冷却 第 三 年 进一步和细致的实验 原子的进一步冷却 离子光频标的初步锁定实 验 量子特性在频标中的应用 喷泉频标的不确定度优于 2E 15 实现 Yb 的 Green MOT 以及 Sr 的 Red MOT 离子钟跃迁的锁定信号 光晶格超冷原子的超窄线 宽谱线 科研中国 www SciE 收集于网络 仅供参考 研究内容 预期目标 第 四 年 光晶格中冷