摘要
高离化态离子（HighlyChargedIons，HCI）是新一代光钟的候选体系之一。相对于原子或单价离子,HCI的电子云受到较强的有效核电荷束缚，其半径较小。因此，HCI的钟跃迁对外界环境扰动更不敏感，适合用于研制不确定度为10-19量级甚至更低的光钟。此外，HCI的钟跃迁往往对精细结构常数α随时间变化更敏感。所以HCI光钟非常适合用于检验α常数是否随时间变化，以探索超越标准物理模型的新物理。 实验上，德国马克斯·普朗克核物理研究所(MPIK)和联邦物理技术研究院(PTB)的联合科研小组实现了40Ar13+离子的囚禁和协同冷却，新近采用量子逻辑光谱技术实现了其磁偶极(M1)光学跃迁的探测。而国内的HCI光钟的研究才起步。始于中国科学院精密测量科学与技术创新研究院与复旦大学的合作，本论文基于高离化态镍(Ni)离子首次开展了国内HCI光钟研制的相关研究工作，主要内容如下: 1.为了研制HCI光钟，需要制备、减速、囚禁HCI。本工作为此专门研制了一套HCI光钟实验装置，由HCI离子源——高温超导小型电子束离子阱(Shanghai-WuhanElectronBeamIonTrap，SW-EBIT)，HCI离子束线，线形离子阱组成。经测试，SW-EBIT的电子束束流为0-10mA、能量为30-4000eV，SW-EBIT可以制备并引出HCI光钟候选离子Ni11+、Ni12+、Ni14+、Ni15+等HCI，HCI离子束线可实现58Ni12+的筛选和减速。 2.目前NIST数据库中的候选高离化态镍离子的钟跃迁波长精度较低，不利于开展量子逻辑光谱探测。本工作采用共轭观测和校刻方案，利用SW-EBIT和光栅光谱仪测量了上述候选镍离子的四条M1钟跃迁的发射光谱，并间接测量了其中一条电四极(E2)钟跃迁的波长。波长的测量精度达到ppm量级，比NIST数据库中的结果精度高1-2个量级，为后续开展精密激光光谱探测缩小波长范围。 3.采用飞行时间谱、脉冲漂移管、减速静电透镜等方法，使用HCI离子束线实现了58Ni12+离子的筛选，并将58Ni12+离子的平均动能从678.2(3)qV（q为离子电荷量）减速（降低）到了2.0(3)qV，展宽从11.4(4)qV压缩到了1.8(3)qV。减速后的58Ni12+离子的产率为～4000个/秒。该工作为将高离化态镍离子的线形离子阱再囚禁奠定了基础。 通过本论文的工作，搭建了HCI光钟实验装置，初步测量了候选镍离子的钟跃迁波长，实现了镍离子的减速，为后续的HCI光钟研究工作奠定了基础。
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