激光冷却的Be+离子（左）和高电荷态的Ar13+离子（右）
导读
激光冷却技术(1997)、低温玻色-爱因斯坦凝聚(2001)，以及量子光学理论(2005)已经三次荣登诺贝尔物理学奖。作为基础物理领域的重要研究手段，借助于原子系统的精密光谱，将会极大地促进人类对于基本物理模型、粒子物理、精密测量，以及凝聚态系统等基础物理问题的探索。
近日，来自德国联邦物理技术研究院的科研人员(P. Micke，P. O. Schmidt等人)采用基于量子逻辑的相干激光光谱技术，研究了极低温下高电荷态的氩离子(40Ar13+)，将高电荷离子的测量精度提升上亿倍。
其研究成果以“Coherent laser spectroscopy of highly charged ions using quantum logic”发表在国际顶级综合性期刊《Nature》上。
研究背景
激光光谱仪就像量子世界的显微镜一样，始终在追求更高的分辨能力。分辨率每增加一次，就可以帮助人类更深入地了解所有已知的基本相互作用对原子波函数的微妙影响。在过去的三十年中，光学频率计量学的进步极大地提高了光谱分辨率，并使激光光谱学成为研究开放式物理问题的极其灵敏的工具，例如，暗物质的本质，宇称不守恒的强度以及违反爱因斯坦相对论的可能性。然而，目前只有极少数的原子和离子物种可以用于顶尖的光学频率计量学领域。因此，将这一领域扩展到对此类效应高度敏感的物种系统是至关重要的。
近年来，科学界认为可以通过高电荷离子来实现对于标准模型以外的物理效应的更灵敏的测试，以及实现高精度的原子钟。高电荷态离子的外层电子具有很高的结合能，从而使其具有与生俱来的优势，即对基础物理的高敏感性以及对外部扰动的不敏感性。源自狭义相对论、量子电动力学和原子核等综合因素的贡献，使其对电子跃迁能的分数贡献比中性原子要大几个数量级，这促使其成为最先进的理论和计算研究的理想基准系统。然而，以上科学设想的实现受到较低的光谱精度的限制，目前的测试精度只能达到百万分之几(ppm级)。
目前，多种测试技术已被用于研究高电荷离子，例如，光学荧光电子束离子阱，存储环和电子束离子阱的X射线光谱，以及基态g因子彭宁离子阱。例如，在重氢型离子1s态的超精细分裂甚至可达光学范围，因此，通过激光实现对跃迁的探测是可行的。
创新研究
图片速览
图1 高电荷离子的再次捕获和双离子晶体制备的时间顺序
(d)最终实现Ar13+-9Be+双离子晶体的制备。
图2 实验周期示意图
(a) 硼状Ar13+和9Be+的能级图（未按比例绘制）(b)实验顺序图
图3 Rabi光谱和激发态寿命测试
(a) 在40Ar13+精细结构跃迁中跨越塞曼部分1（见图4c）上进行时钟激光频率扫描。
(b) 跃迁的共振相干激发。
(c) 激发态寿命测量。
(c) 2P1/2–2P3/2塞曼子能级的能级图和相应的塞曼成分的精细结构跃迁。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-1959-8
文章来源：中科院长春光机所 Light学术出版中心
两江科技评论编辑部
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