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
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
High-precision atomic clocks with highly charged ions: nuclear spin-zero $f^{12}$-shell ions
使用高电荷离子的光学原子钟在第19位有效数字的计量学上有着诱人的前景。在这里，我们研究高电荷离子的$4f^{12}$基态电子构型内的跃迁。我们考虑缺乏超精细结构的同位素，并表明通过使用特别选择的虚拟时钟跃迁，可以有效地减少电子四极矩耦合到捕获电场梯度的不利影响。估计的系统分数时钟精度被证明是低于$10^{-19}$。
2012-09-18 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
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
Highly-charged ions as a basis of optical atomic clockwork of exceptional accuracy
提出了一种基于高电荷态离子的新型原子钟。我们考虑了高电荷态离子的$4f^{12}$基态组态中的高禁戒激光可及跃迁。我们对系统效应的评估表明，这些跃迁可用于建造非常精确的原子钟，它可能与最近提出的核钟在精度上竞争。
2012-08-17 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
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
An Optical Clock Based on Coherent Population Trapping of Alkaline-earth Ions
分析了一种基于碱土金属离子Ca $^+$、Sr $^+$、Ba $^+$相干布居俘获效应的超稳定光钟。所提出的跃迁使用奇数同位素，因此频移对所施加的磁场不敏感。为了增强信号，大量离子被捕获在线性Paul阱中，并且激光冷却以结晶，使得离子处于Lamb-Dicke状态以避免一阶多普勒频移。其他相关的频率偏移也进行了分析。进一步的技术，以提高时钟信号的稳定性进行了讨论。
2009-04-02 physics.atom-ph physics.optics
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
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
Observation of the 1S0 - 3P0 clock transition in 27Al+
本文首次报道了~（27）Al ~（3+）1 S ~ 0 - 3 P ~ 0时钟跃迁的激光光谱。一个铝离子和一个铍离子同时被限制在一个线性的保罗陷阱中，通过它们之间的相互库仑排斥耦合。这种耦合允许铍离子同情地冷却铝离子，并且还能够将铝的电子状态转移到铍的超精细状态，这可以以高保真度测量。这些技术被应用于测量时钟跳变频率，ν= 1 121 015 393 207 851（8）Hz。它们也被用来测量亚稳态时钟态的寿命，τ= 20.6 +/- 1.4 s，基态1 S 0 g因子g_S = -0.00079248（14），以及激发态3 P 0 g因子g_P = -0.00197686（21），单位为玻尔磁子。
2007-04-09 physics.atom-ph physics.gen-ph quant-ph
Salecker-Wigner-Peres quantum clock applied to strong-field tunnel ionization
采用Salecker-Wigner-Peres量子钟方法，通过含时电场测量了强场隧道电离中电子的隧穿时间。我们的结果表明，电子的电离需要一个非零的时间段。这个隧穿时间是凯尔迪什时间的数量级，但严格大于凯尔迪什时间。将量子时钟隧穿时间与通过虚拟探测器方法获得的平均隧穿时间进行比较，发现这两种互补方法给出了非常相似的结果。由于隧穿时间的不对称分布，平均隧穿时间和最可几隧穿时间之间存在不可忽略的差异。
2016-08-09 physics.atom-ph quant-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
Linear Paul trap design for an optical clock with Coulomb crystals
我们报告了一个分段的线性保罗陷阱的光学时钟应用程序使用捕获离子库仑晶体的设计。为了提高光学钟的短期稳定性和分数频率不确定度为10^-18，我们提出了172 Yb+共振冷却115 In+离子。我们讨论了这样的频率标准的系统频率偏移。特别是，我们阐述了高精度计算的离子阱的射频电场的有限元方法。通过这些计算，我们找到了一种可扩展的设计方案，在该方案中，离子的过度微动最小，相应的二阶多普勒频移对频率标准的相对不确定度的贡献小于10^-18。
2011-09-28 physics.atom-ph
Ion clock and search for the variation of the fine structure constant using optical transitions in Nd$^{13+}$ and Sm$^{15+}$
我们研究了Nd $^{13+}$和Sm $^{15+}$的超窄$5s_{1/2}$ - $4f_{5/2}$跃迁，并证明它们位于光学区。这种跃迁对外部扰动不敏感。同时，它们对精细结构常数$α$的变化很敏感。跃迁频率的分数精度可以小于$10^{-19}$，这可以为具有极好精度的原子钟提供基础。每年对$α$变化的敏感性接近$10^{-20}$。
2012-08-21 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
Sympathetic cooling of $^{113}$Cd$^+$ by laser-cooled $^{40}$Ca$^+$ in a linear Paul trap for Microwave Ion Clocks
本文报道了在线性Paul阱中用激光冷却$^{40}$ Ca $^+$对$^{113}$ Cd $^+$的共振冷却。实现了$^{113}$ Cd $^+$离子的长期低温约束。这些离子的温度测量在$90(10)$ mK，和相应的不确定性所产生的二阶多普勒频移估计为$2\times10^{-17}$的水平。高达$4.2\times10^5$ Cd $^+$离子被限制在阱中，并且测量的限制时间常数为84小时。在约束三小时后，仍然存在$10^5$ Cd $^+$离子，表明这种Ca $^+$ -Cd $^+$双离子体系是令人惊讶的稳定。交流斯塔克位移由钙$^+$激光和荧光诱导，其使用高精度\textit{ab initio}方法小心地估计到$5.4(0.5)\times10^{-17}$的精度。由于死区时间较短，还推导出了Dick-effect限制的Allan偏差。这些结果表明，微波钟的基础上，这种同情冷却计划持有承诺，在提供超高的频率精度和稳定性。
2020-02-12 physics.atom-ph
Robust optical clock transitions in trapped ions
我们提出了一种新的方法，工程的光学时钟过渡，是强大的对外部磁场波动，并能够克服限制所造成的领域的不均匀性。该技术是基于连续驱动场的应用，以形成一对基本上没有所有相关的位移的修饰状态。具体地说，时钟转换对磁位移、四极和其他张量位移以及驱动场的振幅波动是鲁棒的。该方案适用于单个离子或离子系综，并且与几种类型的离子相关，例如$^{40}\mathrm{Ca}^{+}$、$^{88}\mathrm{Sr}^{+}$、$^{138}\mathrm{Ba}^{+}$和$^{176}\mathrm{Lu}^{+}$。以400个$^{40}\mathrm{Ca}^{+}$离子组成的球对称库仑晶体为例，通过数值模拟表明，在这种晶体中，几十赫兹的非均匀线宽与10 MHz量级的线性塞曼位移一起被减小到1 Hz左右的线宽。我们估计一个两个数量级的减少平均时间相比，国家的最先进的单离子频率参考，假设探针激光分数不稳定的$10^{-15}$。此外，一个统计不确定性达到$2.9\times 10^{-16}$在1秒估计的级联时钟方案，其中动态解耦库仑晶体时钟稳定的询问激光器的$^{27}\mathrm{Al}^{+}$时钟。
2018-12-06 physics.atom-ph quant-ph
Estimation of BBR shift due to Stark effect for the Microwave $^{113}$Cd$^{+}$ Ion Clock
在$^+$ $^{113}$ Cd离子中的$|5s~^2S_{1/2}, F=0,m_F=0 \rangle \leftrightarrow |5s~^2S_{1/2}, F=1,m_F=0 \rangle$跃迁的微波时钟频率已被报道为15199862855.0192（10）Hz [Opt. Lett. { \bf 40}，4249（2015）]。分数系统由于黑体辐射（BBR）的位移（$β$）所产生的斯塔克效应在上述时钟过渡被用作$-1.1 \times 10^{-16}$从我们的未发表的初步估计。我们在这里提出了一个精确的值为$β=-1.815(77) \times 10^{-16}$通过进行严格的计算与时钟过渡的超精细水平的三阶极化率。这是通过评估矩阵元素的磁偶极子超精细相互作用的哈密顿量，电偶极子运营商和许多低-躺态的$^{113}$镉$^+$之间的能量。在Fock空间耦合团簇和相对论多组态Dirac-Fock方法的框架下，我们采用全阶相对论多体理论。
2017-09-11 physics.atom-ph
An extrapolation method for polarizability assessments of ion-based optical clocks
本文提出一种无需特定建模函数、可融合先验原子结构计算的数值外推方法，用于将极化率测量外推至直流情形，以评估离子光钟的黑体辐射频移，并通过Al$^+$、Lu$^+$和Yb$^+$数据验证其有效性。
2024-09-02 physics.atom-ph
Suppressing inhomogeneous broadening in a lutetium multi-ion optical clock
我们演示了由三个$^{176}$ Lu $^+$离子组成的多离子时钟中的非均匀加宽的精确测量和控制。在$^3D_1$水平的超精细状态之间的微波光谱学被用于测量离子之间的差分系统位移，最显著的是与电四极矩相关的那些。通过适当的磁场排列，我们证明了这些影响的抑制相对于$^1S_0\leftrightarrow{}^3D_1$的光学跃迁频率的$\sim 10^{-17}$水平。光学跃迁的相关光谱证明了在具有相应的投影噪声限制稳定性$σ(τ)=8.2\times 10^{-17}/\sqrtτ$的三离子配置中10 s Ramsey询问的可行性
2019-05-09 physics.atom-ph quant-ph
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
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
Development and Characterization of a 171Yb+ Miniature Ion Trap Frequency Standard
本论文研究了一种基于171 Yb+离子的低功耗、高稳定度小型原子频标的研制。离子缓冲气体冷却，并保持在一个线性四极阱，集成到一个密封的，吸气剂抽真空封装，并询问12.6 GHz的超精细过渡。我们希望通过一个功耗仅为50 mW、体积仅为5 cm^3的微型时钟，实现10^-14的长期小数频率稳定度。我讨论了我们在这个项目上几年的工作进展。我们首先建立一个传统的桌面时钟作为一个测试台，同时开发几种设计的微型离子阱真空封装，同时还开发技术的时钟操作的各个方面，包括离子加载，激光和磁场稳定，和低功耗离子阱驱动器。使用边界元软件对离子阱进行建模，以辅助新阱几何形状的设计和参数优化。我们期待一种新的阱几何形状，使用新的材料离子阱，导致一个非常小的离子阱真空封装在下一阶段的项目。为了实现所需的长期稳定性，我们还考虑了时钟频率对磁场的敏感性。研究了阱中室温云中单个离子的运动，目的是了解空间变化和恒定磁场对时钟共振的影响，从而了解时钟的运行情况。这些影响进行了研究实验和理论上的几个陷阱。总之，本论文是一个171 Yb+离子云频率标准和相关技术的设计，开发和测试的贡献，包括阱的几何形状和参数的分析，离子运动的建模，和时钟的实际操作。
2012-08-28 physics.atom-ph
Improved estimate of the collisional frequency shift in Al$^+$ optical clocks
在原子钟中，背景气体粒子和被捕获离子之间的碰撞可以微妙地改变时钟跃迁的频率。这种效应的校正中的不确定性对捕获离子钟的总系统不确定性预算有重要贡献。使用一个非微扰的分析框架，开发了这个问题，我们估计的频率偏移Al $^+$离子时钟由于与氦和氢的碰撞。我们的计算显着改善的碰撞频移系数的不确定性，并表明，Al $^+$的碰撞频移为零的不确定性。
2019-09-11 physics.atom-ph quant-ph
Ab initio quantum theory of mass defect and time dilation in trapped-ion optical clocks
本文从头推导了电磁束缚两粒子系统的相对论哈密顿量，应用于Paul阱冷离子，系统量子力学地处理了离子钟中的相对论频移，澄清了时间膨胀与质量亏损的作用。
2022-09-17 physics.atom-ph quant-ph
