1、項目名稱：基于囚禁冷卻單個鈣離子的精密光譜研究提名單位：中國科學院武漢分院提名意見：中國科學院武漢物理與數學研究所高克林團隊圍繞精密測量物理的前沿和國家重大戰略需求，開展了囚禁冷卻單個鈣離子的精密光譜實驗研究。該團隊在單離子光頻標單元技術攻關、高精度光頻標的實現和基于光頻標進行相關精密測量物理等方面取得了一系列創新性研究結果。他們通過對囚禁離子動力學、光頻躍遷探測所用的超窄線寬激光器以及原子與環境外場相互作用的細致研究，實現了單離子的長期穩定囚禁和鈣離子光頻標的頻率鎖定，同時對影響光頻躍遷的各種外場效應進行了詳細的誤差評定，研制出國際上精度最高的鈣離子光頻標。該光頻標通過了中科院組織的科技成果

2、鑒定，被認定為“國內第一臺光頻標，該成果達到國際先進水平”；搭建了第二臺鈣離子光頻標，進一步抑制了兩臺光頻標的系統誤差，完成了兩臺鈣離子光頻標的比對，結果表明兩臺鈣離子光頻標的頻率不確定度和穩定度（20000 秒）均進入 10-17 量級，推動中國的光頻標進入了世界先進光頻標行列。基于鈣離子光頻標平臺，兩次精密測量了鈣離子鐘躍遷絕對頻率，測量結果兩次被國際事件頻率咨詢委員會（CCTF）采納，更新了鈣離子的光學頻率推薦值；理論結合實驗精確測量了鈣離子鐘躍遷魔幻波長，由此提出未來基于全光（魔幻波長）囚禁的離子光頻標的新方案；同時，實驗和理論相結合，精確測量了鈣離子 3D5/2 態壽命。取得了重要創

3、新性成果及提升了在國際上的影響。提名該項目湖北省自然科學一等獎項目簡介： 本項目屬于原子分子物理學研究領域，基于原子分子光的精密測量是人類追求極限的研究。本項目重點研究單離子光頻標和相關精密測量物理。時間頻率是目前測量精度最高的物理量之一，高精度光頻標可用于基本物理常數測量和基本物理定律檢驗，同時為新的時間基準-秒的定義和更精密的全球定位系統奠定基礎。要實現單離子光頻標和相關精密測量，需要解決影響光頻測量的一系列關鍵科學和技術難題。項目組經過十年多努力，實現了高精度單離子光頻標；并基于光頻標精密測量了鈣離子光頻躍遷絕對頻率、魔幻波長和亞穩態壽命。創新點與特色如下：解決了鈣離子光頻標的相關物理與

4、技術問題，實現了國內首臺光頻標通過對微運動等物理效應的探索，解決了單離子難以被長期連續囚禁的國際難題，將單個鈣離子的連續囚禁時間延長到兩個月以上；攻克了一系列技術瓶頸，如窄線寬激光穩頻技術、高精度磁場控制技術等，實現了國內首臺光頻標。改進鈣離子光頻標的性能，實現了E-17精度的鈣離子光頻標采用聲光調制器結合機械快門的方式，首次將鈣離子光頻標的光頻移抑制到E-18量級；采用小磁場、低射頻功率條件，使磁場和黑體輻射效應引入頻移不確定度得到大幅抑制；采用“魔幻”射頻囚禁頻率，將微運動引入的頻移不確定度降低至E-17量級。通過以上研究， 40Ca離子光頻標的不確定度和穩定度均進入E-17量級。基于GP

5、S系統實現精度達E-15量級的光頻標絕對頻率測量突破傳統的本地光頻標絕對頻率測量受限于基準鐘以及基于衛星的遠程時間頻率傳遞鏈路不確定的局限，首次將基于GPS載波相位觀測的精密單點定位解算進行時間頻率傳遞的方法引入到光頻絕對值測量中，首次實現了E-15量級的光頻標絕對頻率遠程測量。精確測量了鈣離子鐘躍遷魔幻波長基于高精度鈣離子光頻標實驗平臺，通過測量引入光造成的鈣離子光頻躍遷的ac Stark頻移，首次在離子體系中精確測量了鈣離子鐘躍遷魔幻波長。為原子精細結構研究提供了實驗依據，同時為提高光譜測量精度提供了新思路，也為未來的全光囚禁離子光頻標的研究奠定了基礎。客觀評價：1. 2012年5月13日

6、，中國科學院在武漢組織召開了由武漢物理與數學研究所囚禁離子物理研究組完成的“鈣離子光頻標”科技成果鑒定會，鑒定委員會由李天初院士、于淥院士、李家明院士、羅俊院士、王義遒教授、馬龍生教授、韓春好研究員組成。鑒定委員會對鈣離子光頻標的研究工作給予了高度評價，認為該鈣離子光頻標“是國內第一臺光頻標，一致同意通過鈣離子光頻標成果鑒定”。2. 鈣離子光頻標的絕對頻率測量值兩次被國際時間頻率咨詢委員會（CCTF）的CCL-CCTF頻標聯合工作組采納，并被國際計量委員會（CIPM）批準，參與鈣離子光頻推薦值的計算（國際范圍內共三家參與）。3. 鈣離子光頻標相關研究成果被于淥院士、李天初院士、葉朝輝院士等聯合

7、推薦，作為國家973計劃項目重大研究成果上報科技部。 4. 鈣離子光頻標相關研究成果被國家自然科學基金委重大研究計劃項目“精密測量物理”項目專家組作為突出進展向基金委進行中期匯報，綜合評價為優。5. 美國國家標準與技術研究院光頻標領域專家A. Ludlow、美國科學院院士葉軍教授等在物理學權威雜志Reviews of Modern Physics，2015上發表的關于全球主要光頻標進展的綜述文章“Optical Atomic Clocks”中，引用了代表性論文2并做出評價。作為離子光頻標的代表之一，是唯一被引用的中國光頻標研究結果。 6. 在上述物理學權威雜志Reviews of Modern

8、 Physics中，除了引用代表性論文2外，還引用了國際上的其他鈣離子光頻標的結果，另外日本通訊信息技術研究所發表關于鈣離子光頻標進展的文章Opt. Express 20, 22034(2012)（證明材料見附件6-4）中也總結了國際上的鈣離子光頻標研究情況。這些鈣離子光頻標的技術指標列表如下:經查新，該項目研制的光頻標在2012年是國際上不確定度指標最好的鈣離子光頻標（證明材料見附件6-6）。經過近幾年的發展，目前該鈣離子光頻標的不確定度指標提高到了E-17量級（PRL 116, 013006(2016)），而另外兩家單位近幾年來無相關文獻發表，使該光頻標成為國際上唯一的不確定度和穩定度指標

9、達到E-17量級的鈣離子光頻標，繼續鞏固了該項目在鈣離子光頻標研究領域的國際領先地位。 7. 通過查閱相關文獻（附件6-7），可以總結出目前國內的光頻標發展情況，各光頻標技術指標列表如下： 可見該項目研制的鈣離子光頻標依然是國內技術指標最好的光頻標。該項目不僅研制出國內第一臺光頻標，在前期的工作基礎上完善和提高了光頻標指標，繼續保持了國內領先的地位。 8. 項目主要完成人多次在國際重要學術會議上作特邀報告或口頭報告，匯報了該項目的主要科學發現情況。其中，國際頻率控制會議（IFCS）是世界上最重要的原子頻標的相關會議之一，來自全世界的最重要的光頻標進展大多都會在該會議上進行報道。項目組主要成員管

10、樺研究員、黃垚副研究員分別于2013年和2014年參加了IFCS會議，并分別應邀作了題為“The progress on the optical frequency standard of trapped and cold 40Ca+”和“The Comparison of the 40Ca+ Ion Clocks with the Improvement of the Clock Laser Stability”的口頭報告。項目主要完成人的其他邀請報告如下： 1） 高克林，The progress on the trapped and cold Ca ion，NICT workshop on

11、 the optical Frequency standards，2013年2月7-8日，日本東京（邀請報告） 2） 高克林，Spectroscopy of trapped and cold 40Ca+，海峽兩岸原子分子與光學學術研討會，2008年10月24日，臺北（邀請報告） 3） 管樺，Frequency Comparison of Two 40Ca+ Optical Clocks with an Uncertainty at 10-17 Level, 8FSM2015, 2015年10月11-16日，德國波茲坦（口頭報告） 4） 管樺，The Progress on the Optica

12、l Frequency Standard of Trapped and Cold 40Ca+，AISAMP 10，2012年10月23-27日，臺北（邀請報告） 5） 黃垚，Ca+ Optical Clocks，Asia Pacific Laser Symposium（APLS 2016），2016年5月10-14日，韓國濟州(邀請報告) 6） 黃學人，Zeeman structure profile measurement of 4s 2S1/2-3d 2D5/2 electric quadrupole transition in a single laser cooled 40Ca+ io

13、n，2010 Asia-pacific radio science conference，2010年9月22-26日，日本富山（邀請報告） 7） 黃學人，Observation of the Quadrupole Transition in a single cold 40Ca+，2008 Asia-Pacific workshop on time and frequency(ATF 2008)，2008年10月30日-11月1日，印度尼西亞（邀請報告）代表性論文專著目錄序號論文專著名稱/刊名/作者影響因子年卷頁碼發表時間年月日通訊作者/第一作者SCI他引次數他引總次數知識產權是否歸國內所有1

14、Measurement of Magic Wavelengths for the 40Ca+ Clock Transition / Physical Review Letters / Liu Pei-Liang，Huang Yao，Bian Wu，Shao Hu，Guan Hua，Tang Yong-Bo，Li Cheng-Bin，Mitroy J.，Gao Ke-Lin8.4622015，114（22）：223001(1)-223001(5)2015年6月2日管樺、高克林/劉培亮911是2Combined experimental and theoretical probe of the l

15、ifetime of the 3d 2D5/2 state in 40Ca+ / Physical Review A / Hua Guan, Hu Shao, Yuan Qian, Yao Huang, Pei-Liang Liu, Wu Bian, Cheng-Bin Li, B. K. Sahoo, and Ke-Lin Gao2.925(2015) 91, 022511 2015年2月18日高克林/管樺00是3Evaluation of the systematic shifts and absolute frequency measurement of a single Ca+ ion

16、 frequency standard / Applied Physical B / Yao Huang, Peiliang Liu, Wu Bian, Hua Guan, Kelin Gao1.6962014年114(1)卷189頁2014年11月8日高克林/黃垚33是4Hertz-level Measurement of the40Ca+4s2S1/23d2D5/2Clock Transition FrequencyWith Respect to the SI Second through GPS / Physical Review A / Y. Huang, J. Cao,P. Liu,

17、K. Liang,B. Ou,H. Guan,X. Huang,T. Li and K. Gao2.9252012年85(3)卷030503(R)頁2012年3月23日高克林/黃垚1924是5Evaluation of the systematic shifts of a single40Ca+ion frequency standard / Physical Review A / Yao Huang, Qu Liu, Jian Cao, Baoquan Ou, Peiliang Liu, Hua Guan,Xueren Huang, and Kelin Gao2.925 2011年84(5)

18、卷053841頁2011年11月21日高克林/黃垚78是6A 729 nm laser with ultra-narrow linewidth for probing4S1/23D5/2clock transition of40Ca+ / Optics Communications / Hua Guan, Qu Liu, Yao Huang, Bin Guo, Wancheng Qu, Jian Cao, Guilong Huang, Xueren Huang, Kelin Gao1.5882011年284卷217頁2011年1月1日高克林、黃學人/管樺11是7Stabilization of

19、 397 nm and 866 nm external cavity diode lasers for cooling a single calcium ion / Optics Communications / H. Guan, B. Guo, G. L. Huang, H. L. Shu, X. R. Huang, and K. L. Gao1.5882007年274(1)卷182頁2007年6月1日高克林、黃學人/管樺13是8A Single Laser Cooled Trapped 40Ca+ Ion in a Miniature Paul Trap / Chinese Physics

20、 Letters / Shu Hua-Lin, Guan Hua, Huang Xue-Ren, Li Jiao-Mei, Gao Ke-Lin0.82005年22(7)卷1641頁2005年7月1日高克林/舒華林22是合計主要完成人情況：姓名高克林性別男排名1國籍中國工作單位中國科學院武漢物理與數學研究所行政職務無二級單位原子頻標研究部技術職稱研究員完成單位中國科學院武漢物理與數學研究所所在地湖北單位性質科研機構參加本項目的起止時間2002-01 至 2018-04對本項目主要學術貢獻：1）項目組織者和負責人。負責項目立項、人員配置和具體組織實施，促進了團隊內理論與實驗的緊密結合,在項目的組

21、織實施、實驗設計、數據分析與總結、以及科學實驗等方面做出了貢獻；2）解決了囚禁離子動力學、系統誤差分析和光譜測量中的關鍵問題。完成了鈣離子光頻標相關的物理分析和單元技術的突破，建立了鈣離子光頻標，完成了鈣離子光頻標的誤差評定，完成了基于GPS系統的鈣離子光頻標絕對頻率測量，實現了兩臺光頻標的頻率比對，測量了鈣離子鐘躍遷魔幻波長和亞穩態壽命。是八篇代表作中的通訊作者，占本人工作量90%。姓名管樺性別男排名2國籍中國工作單位中國科學院武漢物理與數學研究所行政職務無二級單位原子頻標研究部技術職稱研究員完成單位中國科學院武漢物理與數學研究所所在地湖北單位性質科研機構參加本項目的起止時間2012-01

22、至 2018-04對本項目主要學術貢獻：1）單離子囚禁和冷卻中的關鍵物理問題和單元技術研究，包括單個鈣離子的囚禁和激光冷卻，397nm和866nm激光器的光電流信號穩頻、傳輸腔穩頻，729nm鈦寶石激光器的穩頻等，鈣離子鐘躍遷10條Zeeman譜的掃描與得到、單離子光頻標的鎖定，完成了鈣離子光頻標的誤差分析與評定；2）鈣離子光頻標絕對頻率的測量。包括測量方法選取和性能分析；頻率測量具體實施；測量結果誤差分析。3）實現了兩臺鈣離子光頻標的頻率比對。4）測量了鈣離子鐘躍遷魔幻波長和亞穩態壽命。本人是8篇代表性論文中1-8的作者。姓名黃垚性別男排名3國籍中國工作單位中國科學院武漢物理與數學研究所行政

23、職務無二級單位原子頻標研究部技術職稱副研究員完成單位中國科學院武漢物理與數學研究所所在地湖北單位性質科研機構參加本項目的起止時間2007年3月-2018年4月對本項目主要學術貢獻：1）成功實現了單個鈣離子光頻標的鎖定，系統地分析了對鈣離子鐘躍遷頻率測量產生影響的物理效應。實驗測得由物理效應引入的鐘躍遷頻率的不確定度小于1E-15。 2）在此基礎上通過與中國計量院合作；參考中國計量院的UTC（NIM）時間頻率標準；在國際上首次利用全球衛星定位系統（GPS）遠程校準的方案實現了E-15量級精度的光頻標鐘躍遷絕對頻率測量。3）實現了兩臺鈣離子光頻標的頻率比對。4）測量了鈣離子鐘躍遷魔幻波長和亞穩態壽命