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
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
Optical clocks based on molecular vibrations as probes of variation of the proton-to-electron mass ratio
一些新的量子引力或暗物质物理模型预言了基本常数的漂移或振荡。一个相对简单的模型将分子振动与质子-电子质量比$μ$联系起来。许多振动跃迁是在光学频率上的，具有用作高精度光学时钟的前景。我们简要总结了导致$μ$变化的新物理模型以及当前对漂移和振荡幅度的限制。在概述了实验室程序之后，我们给出了目前正在开发或正在进行的实验的分子的例子。这些实验的预测系统和统计的不确定性，使他们领先的候选人在下一代搜索的时间变化的$μ$。
2020-07-30 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
A clock network for geodesy and fundamental science
利用光学时钟在标准模型之外的基础物理学、地球科学和天文学应用中无与伦比的性能，需要真实地比较遥远的光学时钟的频率。满足这一要求，我们报告的第一次比较和协议的完全独立的光学时钟分离700公里，仅限于时钟本身的不确定性。这是通过经由1415公里长的电信光纤链路的相位相干光频率传输来实现的，该通信光纤链路能够实现比传统的频率传输手段更好的精度。在对$10^{17}$中的三个部分的光钟进行比较时，仅经过1000 s的平均时间就达到了分数精度，这已经比现有的任何其他频率传递方法好10倍，快4个数量级以上。执行高分辨率国际时钟比较的能力为重新定义时间单位和SI秒的全光学传播铺平了道路。
2015-11-24 physics.atom-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
Enhanced sensitivity to the fine-structure constant variation in Th IV atomic clock transition
计算结果表明，Th^{3+}离子从基态的5f_5/2-7s_1/2 23131 cm^{-1}跃迁对精细结构常数α（q=-75300 cm^{-1}）的时间变化非常敏感.该谱线很窄，离子已被俘获和激光冷却，正位移谱线5f_5/2-5f_7/2 4325 cm^{-1}（q=+2900 cm^{-1}）可作为参考。也可以与另一个原子或离子中的正位移进行比较。这使得Th^{3+}成为搜索α变化的良好候选者。
2009-10-19 physics.atom-ph
Atomic clocks highly sensitive to the variation of the fine structure constant based on Hf II, Hf IV, and W VI ions
我们证明了Hf $~$ II、Hf $~$ IV和W $~$ VI离子中的几个亚稳态激发态可能是良好的时钟态，因为它们具有足够长的寿命并且对微扰不敏感。冷却E1过渡可用。本文采用相对论多体计算的几种方法，包括组态相互作用（CI），计算了Hf $~$ II、Hf $~$ IV和W $~$ VI离子的能级、Landé $g$因子、电偶极（E1）、电四极（E2）和磁偶极（M1）跃迁幅度、寿命和电四极矩。线性化耦合团簇单双理论（SD）和多体微扰理论（CI+SD），以及组态相互作用微扰理论（CIPT）。计算了基态和时钟态的标量极化率，确定了黑体辐射（BBR）位移。我们发现这些跃迁的相对BBR位移范围在10 $^{-16}$ $-$ 10 $^{-18}$之间。两个时钟跳变频率的线性组合允许进一步抑制BBR。几个$5d$ - $6s$单电子时钟跃迁确保了跃迁频率对精细结构常数$α$的变化的高灵敏度，并且可以用于搜索产生这种$α$变化的暗物质。$α$变异的增强系数达到$K=8.3$。Hf的6种稳定同位素和W的5种稳定同位素允许人们制作King图并寻找由标量粒子或其他机制介导的新相互作用。
2022-06-28 physics.atom-ph
Microwave-clock timescale with instability on order of $10^{-17}$
原子喷泉作为业务时钟的基本限制被认为是。美国海军天文台的四个铷喷泉运行超过5.5年，已经证明了连续运行时钟的前所未有的长期稳定性[1，2]。只有这些铷喷泉，可以创建一个后处理的时间尺度，通过补偿偶尔的频率步进，显示出优于任何单个时钟的长期性能。通过与世界上的主要标准进行比较，我们证明了该铷喷泉时标的不稳定性，达到了中等$10^{-17}$的水平，零漂移为$1.3 \times 10^{-19}$ /天。我们讨论的基本限制，由于共同的模式行为或个人喷泉的性能，无法纠正。
2017-04-05 physics.atom-ph
Doppler Shift Mitigation in a Chip-Scale Atomic Beam Clock
National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；HRL Laboratories（HRL实验室）
本研究通过利用多普勒移位与共振光移位的竞争，实现了芯片尺度原子束钟在零激光频率敏感性和白噪声限制下的高精度运行。
2025-12-04 physics.atom-ph
Limits on temporal variation of quark masses and strong interaction from atomic clock experiments
本文计算了H，Rb，Cs，Hg ~+超精细跃迁和Hg ~+光学跃迁的原子钟实验中，核磁矩对夸克质量的依赖关系，得到了m_q/ Lambda_{QCD}变化的极限。
2003-02-06 hep-ph nucl-th physics.atom-ph
Hf$^{12+}$ ion: Highly Charged Ion for Next-Generation Atomic Clocks and Tests of Fundamental Physics
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
Generation of a precise time scale assisted by a near-continuously operating optical lattice clock
本文利用近连续运行的Yb光晶格钟驾驭氢脉泽时间尺度，在230天内实现相对UTC仅0.52 ns的均方根时间变化，并证明高正常运行时间光钟可显著提升时间尺度稳定性。
2024-04-17 physics.atom-ph
Pr10+ as a candidate for a high-accuracy optical clock for tests of fundamental physics
University of Delaware（特拉华大学）；Helmholtz-Institut, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung（亥姆霍兹研究所，GSI重离子研究中心）；Max-Planck-Institut für Kernphysik（马克斯·普朗克核物理研究所）；Colorado State University（科罗拉多州立大学）
研究提出将Pr10+作为高精度光学时钟候选者，结合组态相互作用和耦合簇方法计算其低能级，不确定性达0.1%，通过与测量对比进行基准测试，还报告了相关超精细结构常数计算结果，对基础物理测试有重要意义。
2026-07-15 physics.atom-ph
Additional clock transitions in neutral ytterbium bring new possibilities for testing physics beyond the Standard Model
研究了镱原子基态到亚稳态$^3{\rm P}^{\rm o}_2$ at $E=19\,710.388~$ cm $^{-1}$和$4f^{13}5d6s^2\,(J=2)$ at $E=23\,188.518~$ cm $^{-1}$的跃迁作为光晶格钟中的时钟跃迁的前景。Yb中具有多个时钟跃迁可以通过研究King曲线的非线性或两个时钟跃迁频率之比的时变来有益于探索超越标准模型的新物理。我们计算的状态，相关的过渡振幅，系统的移位，和时钟转换的灵敏度的精细结构常数的变化和引力势的寿命。我们发现，这两个过渡可能支持超高精度，类似于已经实现的$^1$ S $_0$-$^3$ P $^{\rm o}_0$时钟过渡。
2018-05-29 physics.atom-ph
Improved limit on a temporal variation of $m_p/m_e$ from comparisons of Yb$^+$ and Cs atomic clocks
随着时间的推移的电子和超精细结构的原子水平之间的不同的跃迁频率的精确测量被用来调查的精细结构常数$α$和质子-电子质量比$μ$的时间变化。我们用改进的分数不确定度$3.9\times 10^{-16}$测量了$^{171}$ Yb $^+$中$^2S_{1/2}\rightarrow {^2F_{7/2}}$电八极（E3）跃迁的频率为$f(E3) = 642\,121\,496\,772\,645.36(25)$ ~Hz.该跃迁频率对$α$的变化表现出很强的敏感性。连同一些以前和最近的测量$^{171}$ Yb $^+$中的$^2S_{1/2}\rightarrow {^2D_{3/2}}$电四极跃迁和来自其他元素的数据，最小二乘分析产生$(1/α)(dα/dt)=-0.20(20)\times 10^{-16}/\mathrm{yr}$和$(1/μ)(dμ/dt)=-0.5(1.6)\times 10^{-16}/\mathrm{yr}$，证实了以前对$dα/dt$的限制，并提供了实验室实验中对$d μ/dt$最严格的限制。
2014-07-16 physics.atom-ph
Fundamental Physics with a State-of-the-Art Optical Clock in Space
光学原子钟和光学时间传递的最新进展为基础物理测试和计时应用的精密计量提供了新的可能性。在这里，我们描述了一个空间任务的概念，将放置一个国家的最先进的光学原子钟在偏心轨道围绕地球。高稳定性的激光链路将把轨道航天器与地面站的相对时间、距离和速度连接起来。这项任务的主要目标是测试引力红移，这是广义相对论的经典测试，灵敏度超过目前的极限30,000倍。其他科学目标包括相对论的其他测试，加强对暗物质和基本常数漂移的搜索，以及建立高精度的国际时间/测地基准。
2021-12-20 gr-qc physics.atom-ph
Limits on temporal variation of fine structure constant, quark masses and strong interaction from atomic clock experiments
利用最近的H，Rb，Cs，Yb+，Hg+的超精细跃迁和Hg+的光学跃迁的原子钟实验，计算了核磁矩对夸克质量的依赖关系，并得到了夸克质量与强相互作用标度之比（m_q/ Lambda_{QCD}）变化的极限.本文还讨论了Cd ~+、氘/氢、SF_6分子、He_3/氘的塞曼跃迁等实验。
2003-09-26 hep-ph nucl-th physics.atom-ph
A New Clock Transition with the Highest Sensitivity to $α$ Variation and Simultaneous Magic Trapping Conditions with Other Clock Transitions in Yb
本文在 Yb 中发现对 $α_e$ 变化灵敏度最高的新钟跃迁，并提出利用偏置磁场实现其与另外两条高灵敏度钟跃迁同步魔术囚禁的方案。
2023-09-27 physics.atom-ph physics.optics
Optical frequency ratio of a ${}^{171}\mathrm{Yb}^+$ single-ion clock and a ${}^{87}\mathrm{Sr}$ lattice clock
我们报告直接测量的频率比的642太赫兹${}^2S_{1/2} (F=0)$ - ${}^2F_{7/2} (F=3)$电八极跃迁的${}^{171}\mathrm{Yb}^+$和429太赫兹${}^1S_0$ -${}^3P_0$过渡的${}^{87}\mathrm{Sr}$。在2012年12月至2019年10月期间，在Physikalisch-Technische Bundesanstalt进行了一系列107次测量。该比值的长期变化大于少数$10^{-17}$的个体测量不确定性的预期。这些变化的原因仍然未知。即使考虑到这些，我们发现一个分数的不确定性的频率比的$2.5 \times 10^{-17}$，这提高了以前的知识由一个数量级。平均频率比为$ν_{\mathrm{Yb}^+} / ν_{\mathrm{Sr}} = 1.495\,991\,618\,544\,900\,537(38)$。这是迄今为止两种不同原子种类之间最精确的测量之一。
2020-09-11 physics.atom-ph
Magic intensity trapping of the Mg lattice clock with light shift suppressed below $10^{-19}$
总不确定度为$10^{-18}$或更低的原子光学钟的进展需要精确估计由于原子-场相互作用引起的多极和高阶效应。镁是一种对黑体辐射不敏感且具有大品质因数的光晶格时钟材料。采用Dirac-Fock加芯极化和相对论组态相互作用相结合的方法计算了Mg原子钟的动态多极极化率和超极化率.研究了激光失谐量和陷阱深度对晶格光位移的影响。发现$5.33(2)E_R$（$E_R$是晶格光子反冲能）存在一个独特的操作魔格强度，它使总光移降低到$1\times 10^{-19}$以下超过陷阱深度变化的14%，这将为开发新的Mg晶格钟时频标准铺平道路.
2020-04-09 physics.atom-ph
Highly-charged ions for atomic clocks, quantum information, and search for $α$-variation
我们提出了10个高电荷态的离子作为下一代原子钟、量子信息和寻找$α$ -变异的候选者。它们具有到基态的跃迁频率在170-3000 nm之间的长寿命亚稳态、相对简单的电子结构、稳定的同位素和对$α$ -变化的高灵敏度（例如，Sm $^{14+}$、Pr $^{10+}$、Sm $^{13+}$、Nd $^{10+}$）。我们预测它们的性质至关重要的实验探索和突出特别有吸引力的系统，这些应用程序。
2014-05-16 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Dependence of nuclear magnetic moments on quark masses and limits on temporal variation of fundamental constants from atomic clock experiments
我们计算了核磁矩对夸克质量的依赖关系，包括自旋-自旋相互作用效应，并利用最近的原子钟实验研究了H，Rb，Cs，Yb $^+$和Hg $^+$的超精细跃迁和H，Hg $^+$和Yb $^+$的光学跃迁，得到了精细结构常数$α$和$(m_q/Λ_{QCD})$变化的极限。
2006-03-08 astro-ph hep-ph nucl-th
Two clock transitions in neutral Yb for the highest sensitivity to variations of the fine-structure constant
我们提出了一种新的频率标准的基础上的$4f^{14} 6s6p~ ^3\!P_0 - 4f^{13} 6s^2 5d ~(J=2)$过渡中性Yb。这种转变具有高稳定性和准确性的潜力，并且具有原子钟对精细结构常数$α$的变化具有最高灵敏度的优点。我们发现它的无量纲$α$ -变化增强因子是$K=-15$，与最灵敏的电流钟（Yb $^+$ E3，$K=-6$）相比，它是任何中性原子钟（Hg，$K=0.8$）的18倍。结合中性原子光晶格钟前所未有的稳定性，这种高灵敏度为寻找超轻暗物质和测试基本粒子标准模型之外的理论开辟了新的前景。此外，与已建立的$^1\!S_0 -\, ^3\!P_0$转变一起，将具有在中性Yb中操作的两个时钟转变，其交错询问可进一步减小此类时钟比较实验的系统不确定性。
2018-03-07 hep-ph physics.atom-ph physics.optics
Atomic Coherence of 2 minutes and Instability of 1.5E-18 at 1 s in a Wannier-Stark Lattice Clock
本文在 87Sr 光晶格钟中系统研究了原子相干性限制因素，通过降低密度实现 118 秒相干时间，并据此展示了 1 秒处 1.5E-18 的钟不稳定度，为基础物理应用推进了光晶格钟性能。
2025-05-09 physics.atom-ph
Limits on the temporal variation of the fine structure constant, quark masses and strong interaction from quasar absorption spectra and atomic clock experiments
我们进行计算的依赖于夸克质量的核磁矩和$(m_q/Λ_{QCD})$的变化从最近的测量氢超精细（21厘米）和分子转动跃迁的类星体吸收系统，原子钟实验与超精细跃迁的H，Rb，Cs，Yb $^+$，Hg $^+$和光学跃迁的Hg $^+$的限制。讨论了Cd $^+$、氘/氢、分子SF $_6$和$^3$ He/氘中塞曼跃迁的实验。
2004-02-10 astro-ph hep-ph physics.atom-ph
Analysis of atomic-clock data to constrain variations of fundamental constants
本研究提出模型无关的新框架，利用多种原子钟数据约束精细结构常数等基本常数在分钟到近一天尺度的时间变化，并得到超轻暗物质与类轴子粒子模型参数空间的严格限制。
2023-12-15 hep-ph physics.atom-ph
Improvement in medium-long term frequency stability of integrating sphere cold atom clock
在积分球冷原子钟的工作过程中，利用微波腔内漫反射的冷却光对Rb原子进行冷却和操纵，提高了积分球冷原子钟的中长期频率稳定度。这种光加热了腔体，并导致了腔体谐振频率的频率漂移。冷却光的功率波动导致腔中心区域的原子密度变化，这通过腔拉动效应增加了时钟频率的不稳定性。我们通过适当的解决方案克服了这些限制。当积分时间？增加到2E4 s。
2016-03-03 physics.atom-ph
New Limits on Coupling of Fundamental Constants to Gravity Using $^{87}$Sr Optical Lattice Clocks
中性$^{87}$ Sr中的$^1\mathrm{S}_0$ - $^3\mathrm{P}_0$时钟跃迁频率$ν_\text{Sr}$相对于Cs标准已经由位于博尔德、巴黎和东京的三个独立实验室在过去三年中测量。在$1\times 10^{-15}$能级上的一致性使得$ν_\text{Sr}$成为最佳一致的光学原子频率。我们结合周期性变化的$^{87}$锶时钟频率与$^{199}$汞$^+$和H-脉泽数据测试本地位置不变性获得最强的限制，迄今为止的引力耦合系数的精细结构常数$α$，电子-质子质量比$μ$和轻夸克质量。此外，在$^{199}$ Hg $^+$、$^{171}$ Yb $^+$和H之后，我们又增加了$^{87}$ Sr作为第四种光学原子钟物种，以增强对$α$和$μ$年漂移的约束.
2008-04-29 physics.atom-ph physics.gen-ph
Prospects for detecting new dark physics with the next generation of atomic clocks
本研究探讨下一代原子钟探测粒子质量比时空变化的潜力，通过分析现有数据和建模未来钟对灵敏度，给出对违反弱等效原理的基础物理理论的严格约束预测，并开发了相应的预测工具。
2025-04-09 gr-qc hep-ph physics.atom-ph
Light-shift mitigation in a microcell-based atomic clock with Symmetric Auto-Balanced Ramsey spectroscopy
小型化原子钟的中期分数频率稳定度会受到光移效应的限制。在这封信中，我们展示了一个对称的自动平衡拉姆齐（SABR）的询问序列的实施在基于微细胞的原子钟的基础上相干布居捕获（CPT）。与连续波（CW）或Ramsey询问方案相比，使用这种先进的协议，时钟频率对激光功率、微波功率和激光频率变化的灵敏度降低至少一个数量级。对于10 $^2$ s和10 $^5$ s之间的积分时间，利用SABR序列获得的光移缓解极大地有益于时钟阿伦偏差。这些结果表明，这种询问技术是感兴趣的，以提高芯片级原子钟的计时性能。
2021-12-14 physics.atom-ph
Trapping of Neutral Mercury Atoms and Prospects for Optical Lattice Clocks
本文报道了汞同位素在${}^1S_0-{}^3P_1$复合跃迁上的汽室磁光俘获。六个丰富的同位素，包括四个玻色子和两个费米子，被捕获。汞是迄今为止捕获的最重的非放射性原子，这使得在标准模型之外进行"新物理“的灵敏原子搜索成为可能。我们提出了一个精确的光晶格时钟的基础上汞和评估其系统的精度优于$10^{-18}$。高精度、高稳定度的汞原子钟将为光晶格钟和精细结构常数随时间变化的研究提供新的途径。
2007-11-29 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
A Hunt for Highly Charged Ions as Ultra-stable Optical Clock Candidates: Art of the energy level-crossing approach
本文利用能级交叉方法分析了较重高电荷离子的精细结构能级，发现部分离子适合作为超稳定光钟候选者，并评估了其探测基本常数变化及各种位移的敏感性。
2023-07-26 physics.atom-ph
Nuclear clocks for testing fundamental physics
$^{229}$ Th中的低能量、长寿命异构体在20世纪70年代首次作为核物理学中的一种奇异特征被研究，至今仍在激励着多学科的物理学家。利用由原子核内部的强相互作用和电磁相互作用决定的核共振频率，有可能建立一个高度精确的核钟，它将从根本上不同于所有其他基于电子壳层共振频率的原子钟。核钟将为物理学基本原理的高灵敏度测试提供机会，特别是在寻找违反爱因斯坦等效原理的情况和寻找标准模型之外的新粒子和相互作用方面。有人建议使用核钟来寻找电磁和强耦合常数的变化，并寻找暗物质。$^{229}$ Th核光学钟仍然是一个重大的挑战，鉴于目前的核跃迁频率的不确定性和自然线宽之间的巨大差距近17个数量级。近年来，实验研究取得了显著进展，本文将简要介绍。此外，将概述一个研究策略，以巩固我们目前的知识的基本$^{229\rm{m}}$ Th属性，以确定与激光光谱精度的核跃迁频率，实现不同类型的核钟，并将它们应用于与光学原子钟的精密频率比较，以测试基础物理。将讨论两种途径：激光冷却捕获的$^{229}$ Th离子，其允许在核-电子相互作用和最小系统频率偏移上进行完全控制的实验，以及Th掺杂的固体，其允许在高粒子数和不同电子环境下进行实验。
2020-12-16 nucl-ex physics.atom-ph physics.optics
Manifestations of a spatial variation of fundamental constants on atomic clocks, Oklo, meteorites, and cosmological phenomena
类星体吸收系统中精细结构常数α的空间变化的显著检测必须通过互补搜索来独立确认。在这封信中，我们讨论了如何在实验室，陨石数据和分析的欧克陆核反应堆的基本常数的时间变化的地面测量可以用来证实天文学家看到的空间变化。此外，我们表明，空间变化的基本常数可以观察到的空间各向异性的宇宙微波背景，加速膨胀（暗能量），和大尺度结构的宇宙。
2010-08-24 astro-ph.CO hep-ph nucl-th
Operational Magic Intensity for Sr Optical Lattice Clocks
实验研究了Sr光晶格钟中电四极（$E2$）和磁偶极（$M1$）极化率以及超极化率引起的晶格光位移。精确控制一维晶格中原子的轴向和径向运动可以观察到$E2$ - $M1$的极化率差异。测量的极化率确定操作晶格深度为$72(2) E_R$，其中在约30%的晶格强度变化上，总光位移抵消到$10^{-19}$水平。该操作陷阱深度及其允许的强度范围方便地与Sr光晶格时钟的实验可行的操作条件相一致。
2018-12-31 physics.atom-ph
Extending the fundamental limit of atomic clock stability
National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；University of Oxford（牛津大学）；University of Colorado（科罗拉多大学）
本文提出多能级原子模型，改进了原子钟稳定性计算，通过考虑量子投影噪声和自发辐射，提升了频率稳定性达4.5dB，并在奇宇称贝尔态原子间频率比较中进一步提升至5.4dB。
2026-04-01 physics.atom-ph quant-ph
Optical atomic clocks
在过去的十年中，时间和频率计量学的非凡成果已经得到证明。连续波激光稳频技术和飞秒光学频率梳使得基于超冷中性原子和囚禁离子光学跃迁的频率标准得以迅速发展。因此，当今性能最好的原子钟以光学速率滴答，使科学家能够执行高分辨率测量，精度接近$10^{18}$的几个部分。本文回顾了光钟研究的历史和现状，并讨论了光钟在SI秒的可能未来重新定义以及在基础物理测试中的实现。
2014-01-13 physics.atom-ph
Cryogenic optical lattice clocks with a relative frequency difference of $1\times 10^{-18}$
时间和频率是最精确的测量量，为科学和现代技术提供了基础。精确度依赖于SI（国际系统）秒，指的是在$10^{-16}$具有分数不确定度的Cs微波时钟。光学钟的最新革命性进展旨在实现$1\times 10^{-18}$不确定性，然而，这受到长平均时间或系统不确定性的阻碍。在这里，我们展示了光晶格时钟与$^{87}$ Sr原子在低温环境中询问，以解决黑体辐射引起的频移，这仍然是时钟的不确定性的主要来源，并启动了有力的理论和实验研究。$N \sim 1,000$原子的量子极限稳定性允许在两个小时的时钟操作中调查$2\times 10^{-18}$的不确定性。在一个月内进行了11次测量后，两个低温时钟在$(-1.1\pm 1.6)\times 10^{-18}$范围内一致。除了对基础科学的贡献和SI秒的重新定义之外，这种精确时钟的快速比较还为相对论大地测量提供了一种手段。
2014-05-16 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
QSNET, a network of clocks for measuring the stability of fundamental constants
QSNET联盟正在建立一个英国下一代原子和分子钟网络，该网络将在测试精细结构常数$α$和电子与质子质量比$μ$的变化方面达到前所未有的灵敏度。这反过来又会对标准模型和暗物质模型之外的广泛的基础理论和唯象理论提供更严格的约束。
2021-10-12 astro-ph.CO gr-qc hep-ex
Gyromagnetic Factors and Atomic Clock Constraints on the Variation of Fundamental Constants
本文考虑了核子基本常数的耦合变化对核子磁矩的影响。在实验室（通过原子钟测量）和天体物理系统（例如通过21厘米跃迁的测量）中，核子g因子都可以解释精细结构常数α的变化。一个空的结果可以转化为一组基本常数变化的极限，通常简化为α。然而，在特定的模型中，特别是统一模型中，α的变化总是伴随着其他基本量的相应变化，例如QCD标度，Lambda_QCD。本文跟踪了Lambda_QCD和轻夸克质量变化引起的核子因子的变化。原则上，这些耦合变化可以从现有的原子钟和天体物理测量中提高α变化的范围。不幸的是，g因子对基本参数的依赖性的计算是众所周知的模型依赖性。
2011-12-15 astro-ph.CO hep-ph nucl-th
Cm$^{15+}$ and Bk$^{16+}$ ion clocks with enhanced sensitivity to new physics
本文计算了 Cm$^{15+}$ 和 Bk$^{16+}$ 离子的电子结构，发现其 $6p_{1/2}-5f_{5/2}$ 与 $6p_{1/2}-5f_{7/2}$ 跃迁兼具光钟特性与对精细结构常数变化的高灵敏度，可用于搜寻标量和轴子暗物质场。
2023-11-30 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
A strontium lattice clock with $3 \times 10^{-17}$ inaccuracy and its frequency
我们在PTB用两个铯原子喷泉钟测量了基于$^{87}$ Sr的光晶格钟的绝对频率，其不确定度为$3.9\times 10^{-16}$。这接近于当今SI秒的最佳实现的精度。$^{87}$ Sr中5s $^2$ $^1$ S $_0$-5s 5 p $^3$ P $_0$跃迁的绝对频率为429，228，004，229，873.13（17）Hz。我们的结果与最近在世界各地不同实验室进行的测量结果非常一致。我们将Sr频标的总系统不确定度提高了5倍，达到了$3\times 10^{-17}$，为基础研究、大地测量或光学钟评估的光学钟之间的频率比测量开辟了新的前景。
2014-08-15 physics.atom-ph
Using optical clock transitions in Cu II and Yb III for time-keeping and search for new physics
我们研究了Cu Ⅱ中的$^1$ S $_0 - ^3$ D $_2$和$^1$ S $_0 - ^3$ D $_3$跃迁以及Yb Ⅲ中的$^1$ S $_0 - ^3$ P $^{\rm o}_2$跃迁作为光钟跃迁的可能候选者。最近开发的版本的配置（CI）的方法，设计了大量的电子以上的封闭壳层的核心，是用来进行计算。我们计算了激发能、跃迁率、寿命、基态和时钟态的标量静态极化率以及黑体辐射位移。我们证明，所考虑的过渡的时钟过渡的所有功能，导致高精度测量的前景。寻找新的物理，如精细结构常数的时间变化，也进行了研究。
2021-09-14 physics.atom-ph
Frequency ratios of Sr, Yb and Hg based optical lattice clocks and their applications
本文介绍了中性锶（$^{87}$ Sr）、镱（$^{171}$ Yb）和汞（$^{199}$ Hg）原子光晶格钟的最新进展。特别是，我们目前的时钟之间的频率比较本地通过一个光学频率梳和两个Sr时钟之间在远程站点使用相位稳定的光纤链路。我们首先回顾低温锶光晶格时钟，减少了两个数量级的室温黑体辐射移位，并作为参考，在下面的时钟比较。Sr和Yb原子相似的物理性质，如跃迁波长和蒸汽压，使我们能够开发出两种物质的兼容时钟。通过参考Sr时钟来评估低温Yb时钟。我们还报道了一个汞钟，这表明一个数量级的黑体辐射的灵敏度低，而其大的核电荷使时钟的精细结构常数的变化敏感。通过光学频率梳连接所有三种类型的时钟，确定时钟频率的比率，其不确定性小于通过绝对频率测量可能的不确定性。最后，我们描述了两个锶为基础的远程时钟超过15公里的距离RIKEN和东京大学之间的同步频率比较，相对论大地测量的一步。
2015-05-13 physics.atom-ph
Two-step pulse observation to improve resonance contrast for coherent population trapping atomic clock
为了提高相干布居俘获（CPT）原子钟的频率稳定度，采用两步脉冲观测方法研究了共振衬度。所提出的方法是一个两步喇曼-拉姆齐方案，在共振观察期间的低强度和观察后的高强度。这种方法减少了光强度的频率变化并保持了高的信噪比。通过对以$^{133}$ Cs D1线为模型的$Λ$型三能级系统的密度矩阵分析来计算共振特性，并且还使用垂直腔表面发射激光器和Cs蒸气室来测量该特性。
2017-01-20 physics.atom-ph
Hunting for topological dark matter with atomic clocks
迄今为止，原子钟在宇宙学上的应用仅限于研究基本常数在时间上的一致漂移。本文指出，由轻的非标准模型场构成的、具有大空间范围的暗物质天体，可以引起基本常数随时间的瞬变。这种类型的暗物质的稳定性可以由拓扑原因决定。我们指出，相关网络的原子钟，其中一些已经存在，可以被用来作为一个强大的工具来寻找拓扑缺陷的暗物质，从而提供了另一个重要的基础物理应用不断提高的准确性的原子钟。在遇到拓扑缺陷时，当它扫过网络时，最初同步的时钟将变得不同步。在空间上分离的时钟之间的时间差异预计将表现出不同的签名，编码缺陷的空间结构和它的相互作用强度与标准模型字段。
2014-12-08 astro-ph.HE gr-qc hep-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
Hyperfine-induced electric dipole contributions to the electric octupole and magnetic quadrupole atomic clock transitions
超精细诱导的电偶极贡献可以显著增加原本非常弱的电八极和磁四极原子钟跃迁（例如，$s$和$f$电子轨道之间的跃迁）的概率。这些跃迁可用于异常精确的原子钟、量子信息处理和寻找暗物质。它们对标准模型之外的新物理非常敏感，例如精细结构常数的时间变化，洛伦兹不变性和爱因斯坦等效原理违反。我们制定的条件下，超精细诱导的电偶极子的贡献占主导地位。由于超精细猝灭，$^{173}$ Yb $^+$的电八极钟跃迁比目前使用的$^{171}$ Yb $^+$强两个数量级.在$^{143}$ Nd $^{13+}$、$^{149}$ Pm $^{14+}$、$^{147}$ Sm $^{14+}$和$^{147}$ Sm $^{15+}$离子中发现了一些增强。
2016-02-26 physics.atom-ph
Sensitivity of $^{229}$Th nuclear clock transition to variation of the fine-structure constant
Peik和Tamm [Europhys. Lett. 61，181（2003）]提出了一种基于钍-229的基态和第一激发态之间的同质异能跃迁的核钟。这种转变被认为是精细结构常数$α$可能随时间变化的潜在敏感探针。对这种变化的敏感性可以从不同异构体的均方电荷半径和四极矩的测量来确定。然而，目前的四极矩测量尚未达到足够高的精度来解决非零灵敏度。在这里，我们确定这种灵敏度使用现有的测量的变化，在均方电荷半径，再加上常数核密度的测量。$α$变化的增强因子为$K = -(0.82 \pm 0.25) \times 10^4$。对于当前的实验限值，每年$δα/α\lesssim 10^{-17}$，相应的频移为每年$\sim\!200$ Hz。这种变化比核钟的预测精度大六个数量级，为提高$δα$的测定精度和与低质量标量暗物质的相互作用强度铺平了道路。我们验证了恒核密度理论的支持，并提出了如何验证它的实验。我们还考虑了八极形变对$α$变化灵敏度的可能影响，并计算了$α$变化对若干穆斯堡尔跃迁的影响.
2021-01-17 hep-ph nucl-th physics.atom-ph
Testing the stability of fundamental constants with the 199Hg+ single-ion optical clock
在两年的时间里，我们比较了199 Hg +5d 106 s 2S 1/2（F=0）<->5d 9 6s 2 2D 5/2（F=2）在282 nm处的电四极跃迁频率与中性133 Cs基态超精细分裂频率.这些测量结果表明，两个频率之间的比率nu（Cs）/nu（Hg）的任何分数时间变化都小于+/- 7 10^-15 / yr（1 sigma不确定性）。根据最近的原子结构计算，这为g（Cs）m_e / m_p α ^[6.0]在同一能级上可能的分数时间变化设定了上限。
2002-12-31 physics.atom-ph physics.gen-ph
