在171Yb 原子中，除了目前研究比较多的 6s21S0-6s6p 3P0的578 nm钟跃迁外，还存在着其它多个钟跃迁，比如 6s21S0-6s6p 3 P2的507 nm磁四极跃迁（M2）和 6s6p 3P0-4𝑓135d6s2 (J=2)的1695 nm电四极跃迁（E2）等。其中507 nm的跃迁已有研究小组进行过相关测量，并获得了kHz 量级线宽的谱线；但对1695 nm内壳层电子跃迁，还没有相关的实验工作报道，如相应的跃迁频率、极化率大小和磁场敏感度等都还没有具体实验数据。

在本项研究工作中，徐信业课题组利用已有的冷镱原子光钟平台，以及新搭建的两套激光系统（1695 nm钟激光和592 nm抽运光）等，在光晶格中对171Yb 原子的1695 nm钟跃迁进行了首次探测和详细研究，其相关能级如图1 (a)所示。在实验开始阶段，通过观测1695 nm钟跃迁对应的吸收谱，大致确定该钟跃迁的共振频率。为了提高1695 nm钟跃迁谱的信噪比，采用了归一化探测方法。为此，先在实验上测量了592 nm抽运跃迁的具体频率和超精细能级之间的分裂值；然后，利用592 nm抽运光，实现1695 nm的归一化探测，并观察到了两个超精细能级结构的全部磁子能级跃迁。最后，在对晶格光波长和功率、原子处剩余磁场和1695 nm探询光功率等进行了优化后，获得了kHz量级线宽的1695 nm钟跃迁谱，如图1 (b) 所示。最终，还实现了1695 nm钟跃迁频率的闭环锁定。      

获得该新钟跃迁共振频率后，也对该跃迁的系统频移进行了理论分析和实验测量。首先，在外磁场环境下，对1695 nm钟跃迁的塞曼频移进行精密测量，发现实验测量结果与理论计算值吻合得很好。此外，还在实验上详细测量了囚禁在光晶格中镱原子钟跃迁谱线的光频移，特别是通过在理论所预测的晶格波长范围内细致地测量了晶格光频移（图1 (c)），不仅找到了晶格魔术波长832.50 nm（F=5/2）和832.24 nm（F=3/2），而且还精确测量了电偶极极化率、超极化率和张量极化率等。之后，讨论了如何对各光频移项进行逐一消除，并将不确定度降低至Hz量级以下的实验方案。最后，对目前影响1695 nm钟跃迁的主要系统频移项和相关修正项进行了评估，首次获得了该1695 nm新钟跃迁的绝对频率为176878026393.5±4.7 kHz (F=1/2 - F=5/2)，以及176875218262.7±1.3 kHz (F=1/2 - F=3/2)。这项工作所取得的研究成果为实现双钟频输出的镱原子光钟奠定了基础。该项研究成果最终以华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室为第一单位发表于Physical Review X (2024)。

论文链接：

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.011023

图1: (a)相关跃迁能级；(b) 1695 nm钟跃迁谱；(c) 新钟跃迁魔术波长确定。