基于 ${}^{40}$Ca$^+$ 与 ${}^{88}$Sr$^+$ 多离子光钟的直接比较

我们报告了首次直接比较两个基于 ${}^{40}$Ca$^+$ 与 ${}^{88}$Sr$^+$ 离子中 S$_{1/2}$ 到 D$_{5/2}$ 跃迁的多离子光钟。使用最多九个 ${}^{40}$Ca$^+$ 离子和六个 ${}^{88}$Sr$^+$ 离子的线性链，展示了随参与激光频率稳定 servo 的离子数量增加而提升的稳定性。两种光钟的联合分数频率稳定性在一秒内达到 $1.37(12)\times 10^{-15}$，将同一时钟的上限稳定性置于 $9.6(8)\times 10^{-16}$。我们测量的两种光钟频率比为 $R_{\text{Sr/Ca}}=1.082076536381896986(18)$，其中系统不确定性主要受室温黑体辐射限制。我们的直接测量比现有间接频率比测量提高了一个数量级。此外，通过将我们的结果与最近以 primary frequency standard 参考的 ${}^{88}$Sr 跃迁的绝对频率测量结合，我们将 ${}^{40}$Ca$^+$ 跃迁的绝对频率细化至 $\nu_{\text{Ca}^+}=411042129776400.21(4)$ Hz，将其不确定性降低了约三倍。该研究首次实现了两个多离子光钟的直接比较，凸显了其在未来 fundamental physics 测试、测地学和精密计量学中的显著潜力。