A Liquid-Nitrogen-Cooled Ca+ Ion Optical Clock with a Systematic Uncertainty of 4.4E-19
State Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and Molecular Physics, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, Chinese Academy of Sciences（中国科学院精密测量科学与技术创新研究院磁共振与原子分子物理国家重点实验室）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Hefei National Laboratory, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学合肥国家实验室）；Wuhan Institute of Quantum Technology（武汉量子技术研究院）
该研究通过液氮冷却实现了一种高精度的Ca+离子光学钟，显著降低了系统不确定性和二次塞曼移位不确定性。
2025-12-16 physics.atom-ph physics.optics
Magic wavelengths for lattice trapped Rubidium four-level active optical clock
从$5s_{1/2}$基态抽运到$6p_{1/2}$态后，铷四能级主动光钟将建立$6s_{1/2}$和$5p_{1/2,3/2}$之间的布居数反转。本文计算了晶格俘获激光引起的交流斯塔克频移，它是晶格俘获铷原子四能级有源光钟时钟跃迁频移的主要原因。发现了几个能形成所需光晶格俘获势的魔波长。通过选择合适的俘获激光强度和线宽，估计了由俘获激光交流斯塔克位移引起的时钟跃迁的分数频率不确定度小于10^-18
2012-07-18 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Active optical clock based on four-level quantum system
主动光钟是近年来提出的一种新的原子钟概念。本文提出了一种基于四能级量子系统的有源光钟方案。热原子束的二阶多普勒频移限制了二能级量子系统的最终精度和稳定性。对于三能级量子系统，它们主要受泵浦光场光移的限制。通过应用本文提出的方案，可以有效地避免这些限制。本文以铷原子四能级量子系统为例进行了讨论。$6S_{1/2}$和$5P_{3/2}$态之间的布居反转可以在$10^{-6}$ s的时间尺度上建立。利用有源光钟的机制，腔模线宽比激光增益分布宽得多，理论上可以输出窄于1Hz的量子限线宽激光。设计了一种实验结构来实现这种有源光钟。
2012-04-19 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Characterization of an $\rm ^{27}Al^+$ ion optical clock laser with three independent methods
本文研制了基于30 cm超稳腔、受热噪声限制的 $\ m ^{27}Al^+$ 光钟超稳激光，并用频率噪声求和、TCH和光钟跃迁探测三种独立方法评估，结果一致给出 $1.3\ imes10^{-16}$ 的不稳定度。
2023-12-11 physics.atom-ph physics.optics
Analysis of Short-Term Stability of Miniature 171Yb+ Buffer Gas Cooled Trapped Ion Clock
我们证明了在短期稳定性的改善了10倍以上的上一代微型缓冲气体冷却捕获离子时钟。我们描述了增强检测SNR，使这种改进，时钟操作的方法，和时钟短期稳定性的测量。此外，我们数值研究的迪克效应在我们的脉冲离子钟的大小。
2018-02-13 physics.atom-ph
Multipolar Black Body Radiation Shifts for the Single Ion Clocks
评估投影的$10^{-18}$分数不确定度的光频标使用单电离离子，我们估计的黑体辐射（BBR）的位移，由于磁偶极子（M1）和电四极（E2）多极的磁场和电场，分别。多极标量极化率确定为单离子化的钙（Ca $^+$）和锶（Sr $^+$）离子使用相对论耦合簇的方法，虽然理论可以行使任何单离子时钟的建议。对于Ca $^+$，各个时钟转变的预期能量偏移被估计为$4.38(3) \times 10^{-4}$ Hz，对于Sr $^+$，估计为$9.50(7) \times 10^{-5}$ Hz。这些偏移足够大，并且可以是频率标准实现预见的$10^{-18}$精度目标的先决条件。
2011-08-08 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Frequency ratio of an $^{115}$In$^+$ ion clock and a $^{87}$Sr optical lattice clock
报道了$^{115}$ In+单离子钟和$^{87}$ Sr光晶格钟的第一频率比测量。氢脉泽作为参考振荡器，通过独立的光梳测量该比值。在超过90 000秒的测量时间内，频率比$f_{\rm{In^+}}/f_{\rm{Sr}}$被确定为2.952 748 749 874 863 4（21），相对不确定度为$7.0 \times 10^{-16}$。该测量在光学时钟的频率比网络中创建了一个新的连接。
2020-10-30 physics.atom-ph
Optical-lattice based Cs active clock with continual superradiant lasing signal
我们展示了最先进的主动时钟技术，以提供一个连续的超辐射激光信号，使用的光晶格中的囚禁Cs原子系综。拟议的神奇波长|7S1/2; F = 4，MF = 0> -|6P ~（3/2）; F = 3，MF = 0> Cs原子在1181 nm处发生时钟跃迁，构成光晶格。还发现了从原子的基态抽运和再抽运原子的相关光路。通过对几种原子性质的严格计算，预测了原子钟的分数不确定度约为10-15级。有源时钟的坏腔工作模式有望通过抑制固有热涨落来显著提高其短期稳定性。因此，通过将上述主动式时钟与另一高精度被动式光学时钟相结合，可以构建具有更好的短期和长期稳定性的复合时钟系统。
2020-08-26 physics.atom-ph
Direct laser cooling Al+ ions optical clocks
Al $^+$离子光钟由于其极小的黑体辐射漂移而成为一种很有前途的光频标候选者。它已经成功地证明了间接冷却，量子逻辑为基础的光谱技术。它的精度受到二阶多普勒频移的限制，其稳定性受到量子逻辑处理中可以探测的离子数量的限制。本文提出了一种Al $^+$离子光钟的直接激光冷却方案，大大提高了光钟的稳定性和准确度。在所提出的方案中，利用两个Al $^+$离子阱。第一个陷阱用于捕获大量Al $^+$离子以提高时钟激光器的稳定性，而第二个陷阱用于捕获单个Al $^+$离子以提供最终的精度。两个陷阱都用连续波167 nm激光冷却。预期的时钟激光器稳定度可以达到$9.0\times10^{-17}/\sqrtτ$。对于第二个陷阱，除了167 nm激光多普勒冷却，第二级脉冲234 nm双光子冷却激光器被用来进一步提高时钟激光的精度。总的系统不确定度可以减少到大约$1\times10^{-18}$。所提出的Al $^+$离子光钟有可能成为最精确和最稳定的光钟。
2016-09-13 physics.atom-ph
Optical clock sensitive to variation of the fine structure constant based on the Ho$^{14+}$ ion
我们研究了Ho $^{14+}$离子作为一个候选人，非常准确和稳定的光学原子钟，这是敏感的精细结构常数的时间变化。我们证明了该系统具有所有期望的功能，包括相对较强的光电偶极和磁偶极跃迁，可用于冷却和检测。时钟跃迁中相关状态的零四极矩允许询问多个离子以提高时钟稳定性。
2014-11-04 physics.atom-ph
A Single-Ion Nuclear Clock for Metrology at the 19th Decimal Place
单个229 Th ~（3+）离子中7.6（5）eV的核磁偶极跃迁可能为高精度的光学时钟提供基础。提出了一种由核基态和同质异能态的5 F5/2电子基态中的拉伸态组成的虚钟跃迁。该器件具有前所未有的系统移位抑制能力，时钟性能的总小数误差接近1 x 10^-19。
2011-10-11 physics.atom-ph
Single-ion, transportable optical atomic clocks
在过去的15年里，在激光稳定、光学频率梳和原子冷却与囚禁等领域取得了巨大的进展，使得光学原子钟具有无与伦比的性能。这些仪器可以进行频率比较，分数不确定度远低于$10^{-17}$，发现在基础物理测试，相对论大地测量，时间和频率计量的应用。尽管目前大多数光学钟都是实验室设置，但已经发表了几种将这些钟用于现场测量或在光学钟网络中使用的建议，并且大多数时间和频率计量机构已经开始开发可移动的光学钟。为了这个特殊的问题，我们选择集中在捕获离子光学时钟。尽管它们的短期分数频率稳定性因较低的信噪比而受损，但它们提供了很高的紧凑性潜力：捕获的离子需要低的光功率和简单的加载方案，并且可以被捕获在小的真空室中。我们回顾了时钟关键部件的最新进展，包括离子阱和超稳定光学腔，以及现有的项目和实验，描绘了未来可移动的单离子光学时钟可能类似的画面。
2018-04-06 physics.atom-ph
Superradiant active optical atomic clocks: motivations and current challenges
针对被动式光学原子钟受本地振荡器涨落限制的问题，提出构建由原子跃迁定义发射频率的主动型光学原子钟构想，并综述该领域最新进展与未来前景。
2024-11-06 physics.atom-ph
Optical clocks based on the Cf$^{15+}$ and Cf$^{17+}$ ions
近年来，高电荷态离子（HCI）的冷却、俘获和量子逻辑光谱学的实验进展使得HCI可用于高分辨率光谱学和精密基础研究。基于这些成果，我们探索了利用Cf $^{15+}$和Cf $^{17+}$离子的基态和低激发态之间的跃迁来开发光钟的可能性。使用高精度的相对论计算方法，我们预测了时钟跃迁的波长，计算了相关的原子性质，并分析了一些影响光学时钟精度和稳定性的系统效应（如电四极、微动和二次塞曼位移）。我们还计算了磁偶极超精细结构常数的时钟态和黑体辐射位移的时钟跃迁。
2020-04-13 physics.atom-ph
High-accuracy optical clocks based on group 16-like highly charged ions
我们确定激光可访问的过渡组16样高电荷离子作为候选人的高精度光学时钟，包括S-，Se-和Te-样系统。对于这类离子，地面$^{3}P_{J}$精细结构流形表现出不规则的（非单调的$J$）能量有序足够大的电离度。我们考虑了$|^3P_2\rangle \longleftrightarrow |^3P_0\rangle$（基态到第一激发态）的电四极跃迁，对几个原子的性质进行了相对论多体计算，这些性质对光学时钟的发展很重要。所讨论的所有离子都适合于在小规模离子源中生产，并且适合于用单电荷离子进行交感冷却和量子逻辑读出。
2022-09-18 physics.atom-ph
Highly charged ions for atomic clocks and search for variation of the fine structure constant
我们回顾了一些具有光学跃迁的高电荷态离子，这些离子适合于建立极其精确的原子钟。这包括从Hf $^{12+}$到U $^{34+}$的离子，它们具有价电子的$4f^{12}$配置，Ir $^{17+}$离子，它在几乎填满的$4f$子壳层中有一个洞，Ho $^{14+}$、Cf $^{15+}$、Es $^{17+}$和Es $^{16+}$离子。这些离子中的大多数的时钟跃迁对精细结构常数$α$（$α= e^2/\hbar c$）的变化敏感。例如，在一个示例中，钙离子和离子对$α$ -变化具有最大的已知灵敏度，而钬离子看起来是最适合用于实验研究的离子。我们研究了离子的光谱及其作为频率标准使用的相关功能。
2015-02-04 physics.atom-ph
The collisional frequency shift of a trapped-ion optical clock
在光学原子钟中，与背景气体的碰撞会干扰被俘获离子的跃迁频率。我们开发了一个非微扰框架的散射过程的量子信道描述的基础上，并使用它来推导出一个主方程，导致一个简单的解析表达式的碰撞频移。作为我们方法的一个演示，我们计算了Sr $^+$光学原子钟跃迁由于与氦原子的弹性碰撞而引起的频移。
2017-08-31 physics.atom-ph
Frequency measurement of the clock transition of an indium ion sympathetically-cooled in a linear trap
我们报告的时钟跃迁的频率测量在115 In+离子与Ca+离子在线性射频陷阱的同情冷却。Ca+离子被用作外部电磁场的探针，并用作制备冷In+的冷却剂。通过使用参照位于同一地点的频率标准的光学频率梳对36个测量值进行平均，确定频率为1 267 402 452 901 049.9（6.9）Hz。
2017-05-02 physics.atom-ph
Quantum Algorithmic Readout in Multi-Ion Clocks
基于囚禁离子系综的光学时钟提供了记录频率不确定性的前景，具有良好的短期稳定性。大多数合适的原子种类缺乏用于快速检测的闭合跃迁，使得必须借助于量子逻辑操作通过将时钟离子的量子态转移到共同捕获的逻辑离子来间接读出时钟信号。对于时钟离子的集合，用于量子逻辑读出的现有方法需要在时间或逻辑离子的数量上的线性开销。在这里，我们报告的量子算法读出的开销规模与时钟离子的数量在这两个方面。我们表明，读出算法可以实现一个单一的应用程序的多物种的量子门，我们详细描述了铝和钙离子的晶体。
2016-01-14 physics.atom-ph quant-ph
Prospects of a Pb$^{2+}$ ion clock
提出了一种基于双电离态铅基态与第一激发态之间1.81PHz跃迁的高性能原子钟。利用铅的偶数同位素，两个时钟状态都具有$I=J=F=0$，其中$I$、$J$和$F$分别是指定核子、电子和总角动量的常规量子数。时钟状态是非简并的，完全免疫的非标量扰动，包括一阶塞曼和电四极移。此外，所提出的时钟是相对不易受其他频移（黑体辐射，二阶塞曼，多普勒），适应“魔术”射频捕获，并对退相干机制，否则可能会限制时钟稳定性是强大的。通过将跃迁驱动为双光子$E1$ + $M1$过程，伴随的探针斯塔克位移对于实际拉比频率是可感知的但可管理的。
2021-07-07 physics.atom-ph
Broadband, unpolarized repumping and clearout light sources for Sr$^+$ single-ion clocks
未来的便携式光学钟需要紧凑可靠的光源。在这里，宽带，非偏振再泵浦和状态清除源的Sr+单离子光学时钟的报告。这些交钥匙设备不需要频率稳定或外部调制器。它们是基于纤维的，便宜的，紧凑的。时钟操作的关键特性，包括光谱，诱导光位移和所需的消光比。使用操作单离子标准品进行的测试显示清除效率为100%。与基于激光的再泵浦器相比，离子检测可实现的荧光率低几十个百分点。得到的离子动力学温度为1- 1.5mK，接近离子系统的多普勒极限。使用半导体增益介质可以为Ca+（866 nm）和Ba+（650 nm）制作类似的再泵浦光源。
2015-04-17 physics.atom-ph
Synchronization of Active Atomic Clocks via Quantum and Classical Channels
基于原子系综的超辐射激光器表现出超窄的光学跃迁，可以发出前所未有的光谱纯度的光，并可以用作有源原子钟。考虑两个频率失谐的有源原子钟，它们级联耦合，即作为主激光器和从激光器，并研究从原子钟与主时钟的同步。在两个原子系综耦合到共同腔模式的设置中，这样的同步现象已经由Xu等人[Phys.Rev.Lett. 113，154101（2014）]和Weiner等人[arXiv：1503.06464（2015）]实验观察到的。在这里，我们证明，同步仍然发生在级联设置，但表现出明显不同的相图。我们研究了同步的特点相比，通过一个共同的腔耦合的情况下。我们还考虑通过一个经典的通道同步，其中主激光器的光被测量相位敏感和从激光器的反馈注入锁定，并比较通过耦合通过量子信道实现的结果。
2016-09-01 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Ion optical clocks with three electronic states
针对光钟支撑激光系统复杂且需频繁维护的问题，提出利用$S_{1/2}\ ightarrow D_{3/2}$电四极跃迁的类碱离子光钟，减少所需激光波长并借助核自旋实现超精细态制备与读出，以$^{225}$Ra$^{+}$为候选系统助力实现可搬运光钟。
2023-05-23 physics.atom-ph
Hyperfine-mediated electric quadrupole shifts in Al$^+$ and In$^+$ ion clocks
我们评估了$^{27}$ Al $^+$和$^{115}$ In $^+$的${^1}\!S_0$和${^3}\!P_0$时钟状态的电四极矩。为了捕获所有的主要贡献，我们的分析延伸到三阶微扰理论，包括超精细耦合的电子的磁偶极子和电四极矩的核。对于$^{27}$ Al $^+$，偶然的抵消导致抑制的频移。这应该允许在没有特殊技术来控制或消除偏移的情况下持续改进时钟，例如对其他光学离子时钟至关重要的平均方案。
2017-01-31 physics.atom-ph
Entanglement-enhanced optical ion clock
本研究制备纠缠态⁴⁰Ca⁺离子光学钟，通过一阶磁场不敏感纠缠态延长相干时间、缩短探测周期，实验验证其频率不稳定性优于经典关联态及无关联离子的量子投影噪声极限，创⁴⁰Ca⁺离子钟不稳定性新低。
2025-06-13 physics.atom-ph
Direct comparison of a Ca+ single ion clock against a Sr optical lattice clock
比较了~（40）Ca+时钟跃迁ν_{Ca}（2S 1/2- 2D 5/2，729 nm）与~（87）Sr光晶格时钟跃迁ν_{Sr}（1 S 0 - 3 P0，698 nm）的光学频率，得到频率比ν_{Ca} / ν_{Sr} = 0.9576312023580499（23）。光学比对的快速性使得频率比ν Ca/ ν Sr的统计不确定度在1000 s内达到1 × 10 ~（-15），并与国际原子时（TAI）链上的ν Ca绝对频率测量值一致。使用光学比较的频率比的总不确定度（不含微波链路不确定度）小于使用绝对频率测量获得的不确定度，表明光学频率评估的优势。我们报告了^{40}Ca+的绝对频率，其系统不确定性比我们以前的测量结果小14倍[1]。
2012-08-23 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Thorium-229 in its Highest Charge States: Single-Ion Nuclear Clocks for Tests of Fundamental Interactions
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung（GSI亥姆霍兹重离子研究中心）；Helmholtz-Institut Jena（耶拿亥姆霍兹研究所）；Institut für Optik und Quantenelektronik, Friedrich-Schiller-Universität Jena（耶拿弗里德里希·席勒大学光学与量子电子学研究所）；Abbe Center of Photonics（阿贝光子学中心）；Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步辐射所DESY）；Laboratoire Kastler Brossel, Sorbonne Université, CNRS, ENS-PSL Research University, Collège de France（索邦大学卡斯勒-布罗塞尔实验室，法国国家科学研究中心，巴黎高等师范学院-PSL研究大学，法兰西学院）；Institut für Kernphysik, Universität zu Köln（科隆大学核物理研究所）
本研究探讨高电荷态钍-229单离子核钟的实现，提出类氢钍-229^89+与全电离钍-229^90+两类方案，利用量子逻辑光谱学评估可行性，可用于检验基本相互作用。
2026-08-11 physics.atom-ph
Radium Ion Optical Clock
我们报告的第一个操作的Ra $^{+}$光学时钟，一个有前途的高性能时钟候选人。该时钟使用单个捕获的$^{226}$ Ra $^{+}$离子，并在$7s\ ^2S_{1/2}\rightarrow$ $6d\ ^2D_{5/2}$电四极跃迁上工作。通过自参考三对对称塞曼跃迁，我们证明了1.1 $\times10^{-13}$ / $\sqrtτ$的频率不稳定性，其中$τ$是以秒为单位的平均时间。总系统不确定度被评估为${Δν/ ν= 9 \times 10^{-16}}$。利用该时钟，我们实现了$D_{5/2}$态与$S_{1/2}$态之比的第一次测量Landé $g$ -因子：$g_{D}/g_{S}$ = 0.5988053（11）。Ra $^{+}$光学时钟可以改善在光学频率比较中对精细结构常数$\dot α/ α$的时间变化的限制。离子还具有使其成为可移动光学时钟的合适系统的几个特征。
2022-01-26 physics.atom-ph
A high-precision rf trap with minimized micromotion for an In+ multiple-ion clock
我们提出了一个实验来表征我们的新的线性离子阱设计的多离子光学时钟的操作使用115-In^+作为时钟离子。为了表征陷阱以及时钟离子的共振冷却，我们使用172-Yb^+。陷阱设计已来自有限元法（FEM）计算和第一个原型的基础上玻璃增强热固性层压板建成。本文详细介绍了陷阱的制作工艺和微动测量。多余的微动测量使用光子相关光谱的分辨率为1.1nm的运动幅度，并在这个陷阱中的剩余轴向射频场进行了比较，有限元计算。用这种方法，我们证明了系统的时钟偏移由于过度微动的敏感性，|（Δ v/v）|= 8.5x10^-20。基于对阱轴向射频场的测量，我们估计每个阱段可以存储12个离子，并将其用作光学频率标准，由于微动，其分数不准确度为\leq 1 × 10 ^-18。
2012-06-22 physics.atom-ph
Direct temperature determination of a sympathetically cooled large 113Cd+ ion crystal for a microwave clock
本文报道了在线性Paul阱中用激光冷却~（24）Mg ~+直接测量共振冷却~（113）Cd ~+的温度。共振冷却的离子物种分布在大的合奏，其中包含高达3.3E5的离子的外壳。在优化的实验参数下，共振冷却的~（113）Cd ~+离子的最低温度可达几十mK。这些结果表明微波原子钟具有良好的性能。二阶多普勒频移降低了两个数量级，抑制了Dick效应。
2019-07-18 physics.atom-ph
Ultimate stability of active optical frequency standards
有源光学频率标准提供了有趣的替代品，他们的被动同行。特别地，仅这样的时钟就连续地产生高度稳定的窄线激光辐射。因此，本地振荡器不需要像在无源时钟中那样在询问之间的死区时间期间保持光学相位，而仅需要将有源时钟的低输出功率提升到当前技术状态下的实际可用水平。在这里，我们调查的频谱特性和稳定性的主动时钟，包括均匀和非均匀的加宽效应。我们发现，对于短的平均时间的稳定性是有限的光子散粒噪声从有限的发射激光功率和在长的平均时间的激光输出的相位扩散。确定了最佳长期稳定性的操作参数。使用现实的数字与$^{87}$ Sr的活动时钟，我们发现，优化的稳定性$σ_y(τ) \approx 4\times10^{-18}/\sqrt{τ[\mathrm{s}]}$是可以实现的。
2022-10-26 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Prospects for atomic clocks based on large ion crystals
我们研究了大离子晶体精密频率计量的可行性。对于具有负微分静态极化率的时钟候选者，我们表明微动效应不应妨碍时钟的性能。使用Lu+作为一个具体的例子，我们表明，由于相邻离子的电场的四极移动不会显着影响时钟性能。我们还表明，张量极化率的影响，可以有效地管理与补偿激光至少为少量的离子（<1000）。这些结果为基于离子的原子钟提供了新的可能性，使它们能够达到与光晶格中的中性原子相当的稳定性水平，并为更高水平的准确性提供了可行的途径。
2015-07-08 physics.atom-ph quant-ph
Proposal for a multi-ion optical clock with hundreds of ions
P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院列别杰夫物理研究所）；Key Laboratory of Quantum State Construction and Manipulation (Ministry of Education), School of Physics, Renmin University of China（中国人民大学物理学院量子态构建与操控教育部重点实验室）；Russian Quantum Center, Skolkovo（斯科尔科沃俄罗斯量子中心）；Beijing Academy of Quantum Information Sciences（北京量子信息科学研究院）
针对大型离子晶体非均匀频移的挑战，提出圆形表面阱架构，结合杂散场补偿与动力学去耦，可将四极频移抑制两个数量级，实现分数频率不确定度达$10^{-18}$量级、频率稳定性提升20倍的多离子光钟。
2026-10-14 physics.atom-ph quant-ph
A multi-ion optical clock with $\mathbf{5 \times 10^{-19}}$ uncertainty
Physikalisch-Technische Bundesanstalt（德国联邦物理技术研究院）；Institut für Quantenoptik, Leibniz Universität Hannover（汉诺威莱布尼茨大学量子光学研究所）
本文提出一种多离子光学钟，其频率不确定度为5.3×10^-19，采用10个Sr离子，通过离子分辨态检测抑制位置依赖性移位，测量时间减少4.8倍，与Yb单离子钟对比显示高精度频率比。
2026-03-24 physics.atom-ph quant-ph
Analysis of collision shift assessments in ion-based clocks
National University of Singapore（新加坡国立大学）
本文分析了离子钟中碰撞位移的评估，通过经典和量子描述提出了一种简单界限，适用于任何单离子钟，无需复杂模拟。
2026-07-24 physics.atom-ph
Quadruply Ionized Barium as a Candidate for a High-Accuracy Optical Clock
我们确定Ba $^{4+}$（Te类）作为一个有前途的候选人的高精度光学时钟。最低电子态是具有反常能量有序的$^3P_J$精细结构流形的一部分，在$J$中是非单调的。我们提出了一个时钟的基础上的338.8太赫兹电四极跃迁之间的地面（$^3P_2$）和第一激发（$^3P_0$）的电子状态。我们进行相对论多体计算，以确定该离子的相关属性。的激发时钟状态的寿命被发现是几秒钟，容纳低的统计不确定性与一个实际的平均时间的单个离子。差分静态标量极化率被发现是小的和负的，提供抑制的灵敏度黑体辐射，同时允许取消斯塔克和多余的微动移位。除Hg $^+$和Yb $^+$外，对精细结构常数变化的敏感性比迄今为止证明的其他光学时钟更大。
2020-10-23 physics.atom-ph
Selective highly charged ions as the prospective optical clock candidates with quality factors larger than $10^{15}$
我们在这里提出了几个选择性的高电荷离子（HCIs），即镍$^{12+}$和铜$^{13+}$，钯$^{12+}$和银$^{13+}$，不仅承诺是非常高精度的光学时钟低于$10^{-19}$的不确定性，但也提供大于$10^{15}$的品质因数，但具有简单的原子结构的实验装置。此外，这些离子具有较强的光学磁偶极（M1）跃迁比以前提出的HCI时钟。它们可用于冷却和检测技术。为了证明低于$10^{-19}$水平的投影分数不确定性，我们已经估计了由于许多传统的系统学表现在原子钟实验中，如塞曼，斯塔克，黑体辐射，和电四极移，通过执行相关的原子性质的计算的典型数量级。
2018-01-28 physics.atom-ph
Quadrupole Shifts for the $^{171}$Yb$^+$ Ion Clocks: Experiments versus Theories
用相对论耦合团簇（RCC）方法计算了Yb $^+$离子的$5d_{3/2,5/2}$和$4f_{7/2}$态的四极矩，研究了三个重要的时钟跃迁$[4f^{14} 6s] ^2S_{1/2} \rightarrow [4f^{14} 5d] ^2D_{3/2}$、$[4f^{14} 6s] ^2S_{1/2} \rightarrow [4f^{14} 5d] ^2D_{5/2}$和$[4f^{14} 6s] ^2S_{1/2} \rightarrow [4f^{13} 6s^2] ^2F_{7/2}$的四极位移.我们发现计算结果与实验结果在$4f_{7/2}$态的$Θ$值上有一个数量级的差异，但我们的结果与其他用不同的多体方法进行的计算结果一致。然而，我们的$5d_{3/2}$状态的$Θ$值是在良好的协议与现有的实验结果，并成为更精确的日期，以更准确地估计四极移动的$[4f^{14} 6s] ^2S_{1/2} \rightarrow [4f^{14} 5d] ^2D_{3/2}$时钟跃迁。为了证明我们的计算的准确性，我们评估的超精细结构常数的$6s_{1/2}$，$5d_{3/2,5/2}$和$4f_{7/2,5/2}$状态的$^{171}$ Yb $^+$离子使用相同的RCC方法，并比较结果与他们的实验值。我们还确定了寿命的$5d_{3/2}$状态，以消除怀疑的早期测量值声称最近…
2014-09-01 physics.atom-ph physics.optics
Highly charged Nd$^{9+}$ Ion: A potential candidate of $\upmu$Hz linewidth optical clocks for probing fundamental physics
首次提出了一种基于高电荷态Nd $^{9+}$离子的有源光钟。该时钟可以在$\upmu$ Hz水平提供超窄线宽，其比当前记录的激光线宽低两个数量级以上。工作在$5p^2~4f$基态和其中一个长寿命$5p~4f^2$激发态之间的605（90）nm超辐射激光跃迁处，所提出的有源时钟固有地不受腔噪声的影响，从而提供高稳定性。该时钟作为灵敏探针，对精细结构常数的变化具有高灵敏度，精度低于10 $^{-19}$水平。先进的相对论多体方法被用来预测相关的原子性质，证实了上述发现。
2021-07-22 physics.atom-ph
A Fully Fiber-Integrated Ion Trap for Portable Optical Atomic Clocks
我们提出了一种新颖的，单离子阱集成光纤直接嵌入陷阱结构提供激光以及收集离子的荧光。这消除了对光学窗口的需要。我们测试了系统的性能，并测量了离子荧光的信号背景比为50，这使我们能够在600 $μ$ s内以99%以上的保真度进行状态读出。我们测试了系统在22 ° C至53 ° C范围内对热变化的弹性，以及系统在34 Hz和300 Hz下的振动弹性，发现对其性能没有影响。我们的光纤耦合阱的紧凑性和鲁棒性的结合，使其非常适合应用，以及外部，研究实验室环境，特别是高度紧凑的便携式光学原子钟。虽然我们的系统被设计用于捕获$^{40}$ Ca $^{+}$离子，但是基本设计原理可以应用于其它离子种类。
2023-01-12 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Hyperfine averaging by dynamic decoupling in a multi-ion lutetium clock
我们提出并实验证明了一个方案，该方案的影响超精细平均在拉姆齐询问的时钟过渡。该方法消除了对多个光学跃迁进行平均的需要，降低了时钟对其环境的灵敏度，并且减少了多离子时钟中的不均匀加宽。该方法是兼容的自动平衡拉姆齐光谱，这有利于消除残留的位移，由于不完善的实施和交流斯塔克位移从光学探头。我们证明了该计划使用相关光谱的$^1S_0$ - $^3D_1$时钟过渡在三离子Lu+时钟。从演示中，我们能够提供$^3D_1$四极矩的测量，$Θ(^3D_1)=0.634(9)ea_0^2$。
2019-10-11 physics.atom-ph quant-ph
A transportable 40Ca+ single-ion clock with $7.7\times 10^{-17}$ systematic uncertainty
利用小型Paul阱中单个$^{40}Ca^+$在729 nm处的$4s^2S_{1/2}-3d^2D_{5/2}$电四极跃迁，研制了一种可移动的光钟. $^{40}Ca^+$光学时钟的物理系统从庞大而复杂的设置重新设计为两个子系统的集成：包括离子捕获和检测模块的紧凑的单离子单元，以及包括激光源、光束分配器和频率参考模块的紧凑的激光单元。除了电子设备外，整个设备的体积为0.54 $m^3$。系统分数不确定度为$7.7\times 10^{-17}$，Allan偏差为$2.3\times {10}^{-14}/\sqrtτ$。
2016-07-13 physics.atom-ph
Operating a multi-ion clock with dynamical decoupling
本文提出准连续动力学解耦方案，有效抑制多离子光钟中的电四极偏移和线性塞曼偏移，在7个$^{88}$Sr$^+$离子链上实现超过三个数量级的偏移抑制，为兼顾高稳定度与高准确度的多离子光钟提供了可行路径。
2024-08-09 physics.atom-ph
Highly charged ions: optical clocks and applications in fundamental physics
频率计量学和光学钟的最新发展是以原子和单电荷离子的电子跃迁为参考的。这些系统使得相对频率的不确定性在$10^{-18}$的几个部分的水平。这一成就不仅允许极其精确的时间和频率测量，而且还可以探索我们对基本物理的理解，例如基本常数的变化，局部洛伦兹不变性的破坏，以及物理学标准模型之外的力。此外，新型时钟正在推动复杂技术应用的发展。时钟在基础物理中的应用的关键是对标准模型和爱因斯坦相对论之外的效应的高灵敏度以及时钟的小频率不确定性。高电荷离子提供了两者。它们被认为是高精度的时钟，因为它们具有光学跃迁，与当前的原子钟种类相比，光学跃迁可以非常窄并且对外部扰动不敏感。选择不同电荷状态的高电荷离子提供了窄的跃迁，这些跃迁是对精细结构常数和电子与质子质量比以及其他新物理效应的变化最敏感的跃迁之一。在捕获和交感冷却高电荷离子的最新进展将在未来实现高精度的光学光谱。在计算选定的高电荷离子的属性的进展，允许系统的位移和预测的敏感性的“新物理”的影响进行评估。本文综述了该领域的理论和实验研究现状。
2018-03-17 physics.atom-ph
Ultrastable optical, XUV and soft-x-ray clock transitions in open-shell highly charged ions
本文提出开壳层高电荷态离子中因强相对论效应存在上百个光学至软X射线超稳钟跃迁候选，其寿命、品质因数和抗外场稳定性均远超现有时钟，可用于精密检验新物理与核理论。
2023-05-16 nucl-ex nucl-th physics.atom-ph
Towards a compact transportable optical clock based on the octupole transition in 171Yb+
Key Laboratory of Time Reference and Applications, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, Chinese Academy of Sciences（中国科学院精密测量科学与技术创新学院时间频率应用重点实验室）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Wuhan Institute of Quantum Technology（武汉量子技术研究院）
本研究基于单个171Yb+离子467 nm八极跃迁开发紧凑型光学钟，实现2.3 Hz近傅里叶极限线宽，频率不稳定度达2.2E-15/sqrt(tau/s)，为E-18级高精度工程样机奠定技术基础。
2025-10-12 physics.atom-ph physics.optics
A high-stability optical clock based on a continuously ground-state cooled Al$^+$ ion without compromising its accuracy
本研究提出利用电磁感应透明协同冷却Al离子光钟，抑制询问期间离子加热，实现长时间探测且保持$10^{-19}$量级不确定度，提升时钟稳定性。
2025-09-26 physics.atom-ph
Hf$^{12+}$ ion: Highly Charged Ion for Next-Generation Atomic Clocks and Tests of Fundamental Physics
Islamic University of Madinah（麦地那伊斯兰大学）；University of New South Wales（新南威尔士大学）
本文通过先进计算技术研究Hf$^{12+}$离子的电子结构，发现其两条钟跃迁具有低外部敏感性和高精细结构常数变化敏感性，且频移极小，是高精度原子钟和基础物理检验的极具前景候选者。
2025-11-01 physics.atom-ph
Nuclear clock based on the Th V ion
本研究提出基于Th V离子的核钟方案，其闭壳层结构可抑制电子相关频移，计算了相关能量偏移、能级等参数并测定多种钍形态的核跃迁频率，为高精度核钟研发提供支撑。
2025-05-26 physics.atom-ph
Prospects of a thousand-ion Sn$^{2+}$ Coulomb-crystal clock with sub-$10^{-19}$ inaccuracy
提出基于约千个 Sn$^{2+}$ 离子三维库仑晶体的光原子钟，利用其零角动量钟跃迁免疫非标量扰动及负微分极化率抵消主导频移，理论估计可实现低于 10^{-19} 的不准确度。
2024-03-27 physics.atom-ph
Radium single-ion optical clock
本文研究了镭同位素中电四极跃迁$7s\,^2S_{1/2}$ - $6d\,^2D_{3/2}$、$6d\,^2D_{5/2}$作为单离子光频标的可能性。计算了由于外场引起的时钟跳变的频移和相应的不确定性。鉴定了几种与$A=$ 223 - 229竞争的$^A$ Ra $^+$候选物。特别是，我们表明，过渡$7s\,^2S_{1/2}\,(F=2,m_F=0)$ - $6d\,^2D_{3/2}\,(F=0,m_F=0)$在828 nm的$^{223}$ Ra $^+$，没有线性塞曼和电四极位移，突出作为一个相对简单的情况下，它可以被利用作为一个紧凑的，强大的，低成本的原子钟工作在一个分数频率的不确定性$10^{-17}$。通过更多的实验努力，$^{223,225,226}$ Ra $^+$时钟可以被推到达到$10^{-18}$水平的预期性能。
2011-02-24 physics.atom-ph
Direct comparison of multi-ion optical clocks based on $^{40}$Ca$^+$ and $^{88}$Sr$^+$
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
基于Ca和Sr离子的多离子光学钟首次直接比较，提升了频率稳定性并精确定位绝对频率。
2026-02-05 physics.atom-ph
Blackbody radiation shift assessment for a lutetium ion clock
我们测量的动态差分标量极化率在10.6 $μ$ m的两个候选人的时钟转换在$^{176}\mathrm{Lu}^+$。计算了300 K时$^1S_0 \leftrightarrow {^3D_1}$和$^1S_0 \leftrightarrow {^3D_2}$跃迁的黑体辐射分数（BBR）位移分别为$-1.36\,(9) \times 10^{-18}$和$2.70 \,(21) \times10^{-17}$.前者是任何已建立的光学原子钟中最低的。
2018-10-26 physics.atom-ph quant-ph
Highly Charged Ion (HCI) Clocks: Frontier candidates for testing variation of fine-structure constant
人们试图将引力与其他三种基本自然力统一起来。正如高维模型所建议的那样，这种统一可能需要一些无量纲基本常数的空间和时间变化。在这种情况下，探测电磁精细结构常数（$α= \frac{e^2} {\hbar c}$）在宇宙学时间尺度的低能制度的时间变化是巨大的兴趣。原子钟是探测$α$变化的理想候选者，因为它们的跃迁频率被测量到超高精度。由于原子跃迁频率是$α$的函数，因此在不同时间和空间位置处的时钟频率的测量可以产生确定这种推测的签名。高电荷态离子（HCI）中的电子经历异常增强的相对论效应。因此，与它们的等电子中性或单电荷原子系统相比，在这些离子中经常可以观察到能级交叉。这种过程的特征是原子跃迁的相对论敏感系数（$q$）更大。为了明确地检测由于$α$变化引起的跃迁频率的细微变化，考虑$q$值巨大的跃迁将是明智的。HCI被认为是制造原子钟的最合适的候选者之一，因为它们对外部电磁场的敏感性最低，这是由于它们的轨道异常收缩。第一个HCI时钟已经实现，但其精度远低于基于中性原子和单电荷离子的计数器光学时钟。HCI时钟的实现可以为基础物理的研究增加一个额外的维度。在这项工作中，我们调查的HCI适合时钟候选人的理由，一般功能，包括其潜在的探测时间变化的$α$。
2023-02-14 physics.atom-ph
