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1、项目名称：基于囚禁冷却单个钙离子的精密光谱研究提名单位：中国科学院武汉分院提名意见：中国科学院武汉物理与数学研究所高克林团队围绕精密测量物理的前沿和国家重大战略需求，开展了囚禁冷却单个钙离子的精密光谱实验研究。该团队在单离子光频标单元技术攻关、高精度光频标的实现和基于光频标进行相关精密测量物理等方面取得了一系列创新性研究结果。他们通过对囚禁离子动力学、光频跃迁探测所用的超窄线宽激光器以及原子与环境外场相互作用的细致研究，实现了单离子的长期稳定囚禁和钙离子光频标的频率锁定，同时对影响光频跃迁的各种外场效应进行了详细的误差评定，研制出国际上精度最高的钙离子光频标。该光频标通过了中科院组织的科技成果
2、鉴定，被认定为“国内第一台光频标，该成果达到国际先进水平”；搭建了第二台钙离子光频标，进一步抑制了两台光频标的系统误差，完成了两台钙离子光频标的比对，结果表明两台钙离子光频标的频率不确定度和稳定度（20000 秒）均进入 10-17 量级，推动中国的光频标进入了世界先进光频标行列。基于钙离子光频标平台，两次精密测量了钙离子钟跃迁绝对频率，测量结果两次被国际事件频率咨询委员会（CCTF）采纳，更新了钙离子的光学频率推荐值；理论结合实验精确测量了钙离子钟跃迁魔幻波长，由此提出未来基于全光（魔幻波长）囚禁的离子光频标的新方案；同时，实验和理论相结合，精确测量了钙离子 3D5/2 态寿命。取得了重要创
3、新性成果及提升了在国际上的影响。提名该项目湖北省自然科学一等奖项目简介： 本项目属于原子分子物理学研究领域，基于原子分子光的精密测量是人类追求极限的研究。本项目重点研究单离子光频标和相关精密测量物理。时间频率是目前测量精度最高的物理量之一，高精度光频标可用于基本物理常数测量和基本物理定律检验，同时为新的时间基准-秒的定义和更精密的全球定位系统奠定基础。要实现单离子光频标和相关精密测量，需要解决影响光频测量的一系列关键科学和技术难题。项目组经过十年多努力，实现了高精度单离子光频标；并基于光频标精密测量了钙离子光频跃迁绝对频率、魔幻波长和亚稳态寿命。创新点与特色如下：1. 解决了钙离子光频标的相关
4、物理与技术问题，实现了国内首台光频标通过对微运动等物理效应的探索，解决了单离子难以被长期连续囚禁的国际难题，将单个钙离子的连续囚禁时间延长到两个月以上；攻克了一系列技术瓶颈，如窄线宽激光稳频技术、高精度磁场控制技术等，实现了国内首台光频标。2. 改进钙离子光频标的性能，实现了E-17精度的钙离子光频标采用声光调制器结合机械快门的方式，首次将钙离子光频标的光频移抑制到E-18量级；采用小磁场、低射频功率条件，使磁场和黑体辐射效应引入频移不确定度得到大幅抑制；采用“魔幻”射频囚禁频率，将微运动引入的频移不确定度降低至E-17量级。通过以上研究， 40Ca离子光频标的不确定度和稳定度均进入E-17量
5、级。3. 基于GPS系统实现精度达E-15量级的光频标绝对频率测量突破传统的本地光频标绝对频率测量受限于基准钟以及基于卫星的远程时间频率传递链路不确定的局限，首次将基于GPS载波相位观测的精密单点定位解算进行时间频率传递的方法引入到光频绝对值测量中，首次实现了E-15量级的光频标绝对频率远程测量。4. 精确测量了钙离子钟跃迁魔幻波长基于高精度钙离子光频标实验平台，通过测量引入光造成的钙离子光频跃迁的ac Stark频移，首次在离子体系中精确测量了钙离子钟跃迁魔幻波长。为原子精细结构研究提供了实验依据，同时为提高光谱测量精度提供了新思路，也为未来的全光囚禁离子光频标的研究奠定了基础。客观评价：1
6、. 2012年5月13日，中国科学院在武汉组织召开了由武汉物理与数学研究所囚禁离子物理研究组完成的“钙离子光频标”科技成果鉴定会，鉴定委员会由李天初院士、于渌院士、李家明院士、罗俊院士、王义遒教授、马龙生教授、韩春好研究员组成。鉴定委员会对钙离子光频标的研究工作给予了高度评价，认为该钙离子光频标“是国内第一台光频标，一致同意通过钙离子光频标成果鉴定”。2. 钙离子光频标的绝对频率测量值两次被国际时间频率咨询委员会（CCTF）的CCL-CCTF频标联合工作组采纳，并被国际计量委员会（CIPM）批准，参与钙离子光频推荐值的计算（国际范围内共三家参与）。3. 钙离子光频标相关研究成果被于渌院士、李天
7、初院士、叶朝辉院士等联合推荐，作为国家973计划项目重大研究成果上报科技部。 4. 钙离子光频标相关研究成果被国家自然科学基金委重大研究计划项目“精密测量物理”项目专家组作为突出进展向基金委进行中期汇报，综合评价为优。5. 美国国家标准与技术研究院光频标领域专家A. Ludlow、美国科学院院士叶军教授等在物理学权威杂志Reviews of Modern Physics，2015上发表的关于全球主要光频标进展的综述文章“Optical Atomic Clocks”中，引用了代表性论文2并做出评价。作为离子光频标的代表之一，是唯一被引用的中国光频标研究结果。 6. 在上述物理学权威杂志Revie
8、ws of Modern Physics中，除了引用代表性论文2外，还引用了国际上的其他钙离子光频标的结果，另外日本通讯信息技术研究所发表关于钙离子光频标进展的文章Opt. Express 20, 22034(2012)（证明材料见附件6-4）中也总结了国际上的钙离子光频标研究情况。这些钙离子光频标的技术指标列表如下:经查新，该项目研制的光频标在2012年是国际上不确定度指标最好的钙离子光频标（证明材料见附件6-6）。经过近几年的发展，目前该钙离子光频标的不确定度指标提高到了E-17量级（PRL 116, 013006(2016)），而另外两家单位近几年来无相关文献发表，使该光频标成为国际上唯
9、一的不确定度和稳定度指标达到E-17量级的钙离子光频标，继续巩固了该项目在钙离子光频标研究领域的国际领先地位。 7. 通过查阅相关文献（附件6-7），可以总结出目前国内的光频标发展情况，各光频标技术指标列表如下： 可见该项目研制的钙离子光频标依然是国内技术指标最好的光频标。该项目不仅研制出国内第一台光频标，在前期的工作基础上完善和提高了光频标指标，继续保持了国内领先的地位。 8. 项目主要完成人多次在国际重要学术会议上作特邀报告或口头报告，汇报了该项目的主要科学发现情况。其中，国际频率控制会议（IFCS）是世界上最重要的原子频标的相关会议之一，来自全世界的最重要的光频标进展大多都会在该会议上进
10、行报道。项目组主要成员管桦研究员、黄垚副研究员分别于2013年和2014年参加了IFCS会议，并分别应邀作了题为“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”的口头报告。项目主要完成人的其他邀请报告如下： 1） 高克林，The progress on the trapped and cold Ca ion，NICT
11、 workshop on the optical Frequency standards，2013年2月7-8日，日本东京（邀请报告） 2） 高克林，Spectroscopy of trapped and cold 40Ca+，海峡两岸原子分子与光学学术研讨会，2008年10月24日，台北（邀请报告） 3） 管桦，Frequency Comparison of Two 40Ca+ Optical Clocks with an Uncertainty at 10-17 Level, 8FSM2015, 2015年10月11-16日，德国波兹坦（口头报告） 4） 管桦，The Progress o
12、n the Optical Frequency Standard of Trapped and Cold 40Ca+，AISAMP 10，2012年10月23-27日，台北（邀请报告） 5） 黄垚，Ca+ Optical Clocks，Asia Pacific Laser Symposium（APLS 2016），2016年5月10-14日，韩国济州(邀请报告) 6） 黄学人，Zeeman structure profile measurement of 4s 2S1/2-3d 2D5/2 electric quadrupole transition in a single laser coo
13、led 40Ca+ ion，2010 Asia-pacific radio science conference，2010年9月22-26日，日本富山（邀请报告） 7） 黄学人，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，印度尼西亚（邀请报告）代表性论文专著目录序号论文专著名称/刊名/作者影响因子年卷页码发表时间年月日通讯作者/第一作者SCI他引次数他引总次数
14、知识产权是否归国内所有1Measurement 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日管桦、高克林/刘培亮911是2Combined experimental and theoretical pr
15、obe of the lifetime 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/管桦00是3Evaluation of the systematic shifts and absolute frequency measurement of a si
16、ngle Ca+ ion frequency standard / Applied Physical B / Yao Huang, Peiliang Liu, Wu Bian, Hua Guan, Kelin Gao1.6962014年114(1)卷189页2014年11月8日高克林/黄垚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.
17、 Cao,P. Liu,K. Liang,B. Ou,H. Guan,X. Huang,T. Li and K. Gao2.9252012年85(3)卷030503(R)页2012年3月23日高克林/黄垚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 Gao2.92
18、5 2011年84(5)卷053841页2011年11月21日高克林/黄垚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页2011年1月1日高克林、黄学人/管桦11是7Stab
19、ilization of 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页2007年6月1日高克林、黄学人/管桦13是8A Single Laser Cooled Trapped 40Ca+ Ion in a Miniature Paul Trap / Chi
20、nese Physics Letters / Shu Hua-Lin, Guan Hua, Huang Xue-Ren, Li Jiao-Mei, Gao Ke-Lin0.82005年22(7)卷1641页2005年7月1日高克林/舒华林22是合计主要完成人情况：姓名高克林性别男排名1国籍中国工作单位中国科学院武汉物理与数学研究所行政职务无二级单位原子频标研究部技术职称研究员完成单位中国科学院武汉物理与数学研究所所在地湖北单位性质科研机构参加本项目的起止时间2002-01 至 2018-04对本项目主要学术贡献：1）项目组织者和负责人。负责项目立项、人员配置和具体组织实施，促进了团队内理论与实
21、验的紧密结合,在项目的组织实施、实验设计、数据分析与总结、以及科学实验等方面做出了贡献；2）解决了囚禁离子动力学、系统误差分析和光谱测量中的关键问题。完成了钙离子光频标相关的物理分析和单元技术的突破，建立了钙离子光频标，完成了钙离子光频标的误差评定，完成了基于GPS系统的钙离子光频标绝对频率测量，实现了两台光频标的频率比对，测量了钙离子钟跃迁魔幻波长和亚稳态寿命。是八篇代表作中的通讯作者，占本人工作量90%。姓名管桦性别男排名2国籍中国工作单位中国科学院武汉物理与数学研究所行政职务无二级单位原子频标研究部技术职称研究员完成单位中国科学院武汉物理与数学研究所所在地湖北单位性质科研机构参加本项目的
22、起止时间2012-01 至 2018-04对本项目主要学术贡献：1）单离子囚禁和冷却中的关键物理问题和单元技术研究，包括单个钙离子的囚禁和激光冷却，397nm和866nm激光器的光电流信号稳频、传输腔稳频，729nm钛宝石激光器的稳频等，钙离子钟跃迁10条Zeeman谱的扫描与得到、单离子光频标的锁定，完成了钙离子光频标的误差分析与评定；2）钙离子光频标绝对频率的测量。包括测量方法选取和性能分析；频率测量具体实施；测量结果误差分析。3）实现了两台钙离子光频标的频率比对。4）测量了钙离子钟跃迁魔幻波长和亚稳态寿命。本人是8篇代表性论文中1-8的作者。姓名黄垚性别男排名3国籍中国工作单位中国科学院
23、武汉物理与数学研究所行政职务无二级单位原子频标研究部技术职称副研究员完成单位中国科学院武汉物理与数学研究所所在地湖北单位性质科研机构参加本项目的起止时间2007年3月-2018年4月对本项目主要学术贡献：1）成功实现了单个钙离子光频标的锁定，系统地分析了对钙离子钟跃迁频率测量产生影响的物理效应。实验测得由物理效应引入的钟跃迁频率的不确定度小于1E-15。 2）在此基础上通过与中国计量院合作；参考中国计量院的UTC（NIM）时间频率标准；在国际上首次利用全球卫星定位系统（GPS）远程校准的方案实现了E-15量级精度的光频标钟跃迁绝对频率测量。3）实现了两台钙离子光频标的频率比对。4）测量了钙离子
24、钟跃迁魔幻波长和亚稳态寿命。本人是8篇代表性论文中1-6的作者，是代表性论文中3-5的第一作者。姓名黄学人性别男排名4国籍中国工作单位中国科学院武汉物理与数学研究所行政职务科研处长二级单位原子频标研究部技术职称研究员完成单位中国科学院武汉物理与数学研究所所在地湖北单位性质科研机构参加本项目的起止时间2012-09至 2012-12对本项目主要学术贡献：1）建立了稳定单个离子囚禁物理系统。调研并建立了射频-光子关联的离子微运动测量装置；对离子微运动进行补偿后大大增长了单离子囚禁寿命,窄线宽729nm钛宝石钟跃迁探测激光器；钙离子光频标的锁定（创新点与特色点1）；2）钙离子光频标的误差分析与评定（
25、创新点与特色点2）；3）提出了采用TTS-4型GPS接收机远程比对校准本地氢钟的实验方案；利用飞秒光梳实现对单个钙离子光频标的绝对频率测量（创新点与特色点3）。是8篇代表性论文中4-7的作者。姓名曹健性别男排名5国籍中国工作单位中国科学院武汉物理与数学研究所行政职务无二级单位原子频标研究部技术职称高级工程师完成单位中国科学院武汉物理与数学研究所所在地湖北单位性质科研机构参加本项目的起止时间2008年9月至 2012-12对本项目主要学术贡献：1）钙离子光电离产生及离子囚禁参数优化：研制了一套423nm倍频激光器和紫外LED光源，实现了钙离子光电离产生；对离子囚禁参数的优化，提高了单离子的稳定囚禁时间（创新点与特色点1）；2）基于GPS系统测量了单个钙离子光频跃迁的绝对频率值，通过两个月内共32天有效测量，不确定度达3.9E-15（创新点与特色点3）。本人是8篇代表性论文中4-6的作者。 完成人合作关系情况汇总表序号合作方式合作者/项目排名合作时间合作成果证明材料备注1论文管桦、黄垚、黄学人、曹健2002-2012代表性论文4-6代表性论文4-6
