超窄光学跃迁相关的原子能态之间长寿命相干特征是光学原子钟、量子信息和量子模拟的基础。这些跃迁提供的频率分辨率也是光学原子钟优异稳定性和精度的基础。至今为止,两电子体系的研究主要聚焦于1S0-3P0跃迁。如锶原子光钟1S0-3P2磁四级跃迁具备微赫兹自然线宽,一些两电子体系存在着两条钟跃迁,有利于评估钟跃迁系统频移、寻找超越标准模型的新物理和检验高精度原子结构计算。88Sr原子1S0-3P2跃迁在1990年开始应用于光学原子钟,但是长期没有取得进展。由于这个跃迁是磁四极跃迁,相比于电偶极跃迁难以探测。此外,理论表明3P2的原子对外界效应非常敏感,而且容易因为与其他原子发生非弹性碰撞跃迁至其他能态。
2024年6月20日,德国马克思普朗克量子光学研究所的S. Blatt课题组在《物理评论快报》发表了题为“Long-Lived Coherence on a μHz Scale Optical Magnetic Quadrupole Transition”的文章。作者第一次实现了88Sr原子1S0-3P2 M2超窄跃迁相干激发。作者以一个垂直维度1064 nm激光束和两个水平维度914 nm激光束构建三维光晶格,囚禁2*105个88Sr原子。水平和垂直轴光晶格囚禁深度分别为150 Erec和270 Erec,囚禁频率分别为65 kHz和68 kHz。每个格点平均原子数小于1,且隧穿效应在当前实验时间尺度上可以忽略不计,因此避免了3P2态原子间的强非弹性碰撞。通过匹配基态和激发态的极化率实验了光晶格魔幻囚禁。装载原子后,作者利用边带冷却方法将原子冷却到2.3 μk,对应于0.35个光子(探测轴方向)。在水平方向上导入671 nm激光激发1S0-3P2 M2跃迁。作者基于Rabi光谱观测到了原子态布局的相干振荡现象,也观测到了探测光诱导的ac Stark频移。结合理论模型,确定了M2跃迁速率AM2=152(43)*10-6s-1。作者也进行了Ramsey光谱研究了原子-原子相干特性。88Sr原子1S0-3P2 M2跃迁的实验观测不仅为光学原子钟提供了新的机遇,也能够用于量子计算和量子模拟。