徐信业

1）1994/09-1997/06，中科院上海光机所，中科院量子光学重点实验室，博士。

2）1988/09-1991/06，杭州大学，电子工程系，硕士。

3）1980/09-1984/06，杭州大学，物理系，本科。

1）2006/04-至今，华东师范大学，精密光谱科学与技术国家重点实验室，教授。

2）2003/07-2006/03，美国宾夕法尼亚州立大学，物理系，博士后。

3）2000/11-2003/06，美国国家标准与技术研究所与科罗拉多大学联合研究所（JILA），博士后。

4）1998/04-2000/10,韩国首尔国立大学，物理系，博士后。

5）1997/07-1998/03,中科院上海光机所，量子光学重点实验室，助理研究员。

6）1984/07-1994/08,杭州大学，物理系，助教、讲师。

徐信业教授现在是华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室教授，博士生导师。他目前还担任上海市激光学会理事兼激光工程与技术专业委员会主任，也是中国计量测试学会时间频率专业委员会委员，中国仪器仪表学会量子传感与精密测量仪器分会第一届理事会常务理事, 载人航天工程空间科学与应用领域微重力基础物理专家组成员，2010、2016和2020年原子物理国际大会（ICAP）程序委员会委员。他曾于2007年至2015年担任华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室副主任。他还获得上海市优秀学术带头人计划等资助。他于1997年在中科院上海光机所获得理学光学博士学位。他于1998年赴韩国首尔国立大学物理学开展中韩合作课题“激光引导冷原子实验”的研究工作；于2000年赴美国国家标准与技术研究所和科罗拉多大学的天体物理联合研究所（JILA）从事锶原子光钟的研究；于2003年到美国宾夕法尼亚州立大学物理系开展铯喷泉原子钟的研究。徐信业教授于2006年回国，来到华东师范大学物理系和精密光谱科学与技术国家重点实验室从事冷原子精密光谱和精密测量等研究，主要开展冷镱原子光钟和原子陀螺等研究，建立了冷镱原子光钟和原子陀螺等实验平台。现已在华东师范大学研制了具有国际先进水平的冷镱原子光钟；于2020年完成了冷镱原子光钟绝对频率值的测量工作，其测量结果被国际计量委员会接受，这也是我国冷镱原子光钟首次向国际计量组织成功报数。主持承担多项国家重点基础研究计划项目的课题，以及国家自然科学基金重点和面上项目等。所取得的科研成果已分别发表在Nature、Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. A等学术期刊上。

1）2007-2015年，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室副主任。

2）2007年-至今，中国计量测试学会时间频率专业委员会委员。

3）2009年-至今，中科院上海光机所量子光学重点实验室客座教授及学术委员会委员。

3）2010年，原子物理国际大会（ICAP'2010）程序委员会委员。

5）2012年-至今，上海市激光学会理事、激光技术与工程专业委员会主任。

6）2012年，上海市优秀学术带头人。

7）2016年，原子物理国际大会（ICAP'2016）程序委员会委员。

8）2016年-至今，国家质检总局时间频率计量基准重点实验室学术委员会委员。

9）2018年-至今，中科院原子频标重点实验室学术委员会委员。

10）2018年-至今，《导航定位与授时》编辑委员会委员。

11）2019年-至今，中国仪器仪表学会量子传感与精密测量仪器分会第一届理事会常务理事。

12）2019年-至今，载人航天工程空间科学与应用领域微重力基础物理专家组成员。

13）2020年，原子物理国际大会（ICAP'2020）程序委员会委员。

       我的研究领域是原子、分子和光物理。我主要的研究兴趣包括中性原子的激光冷却和捕获、冷原子引导、喷泉原子钟、光学原子钟、原子干涉仪、原子陀螺仪、非线性光学、超稳和超窄激光系统、基于光学频率梳的量子相干操控、冷原子与超快脉冲的相互作用、高分辨率的冷原子光缔合光谱、基于冷原子的量子模拟和量子计算、精密光谱学和精确测量等。我的课题组目前正在研制可用于计量、通信和精密测量等领域的镱原子光钟，并研究用于惯性导航的原子陀螺仪。如下是我课题组当前正在开展的几个研究课题的介绍：

课题一：冷镱原子光钟的研究

1. 镱（Yb）原子简介

目前世界上主流的中性原子光钟，多采用碱土金属或类碱土金属，其中最常见的为Sr，Yb和Hg，而Yb又因为其能级结构简单，冷却与钟探询所需波长的激光易于获得等众多优点，成为了世界上最适合做光钟的原子之一。

2. 冷镱原子光钟相关能级结构

       Yb原子的基态电子结构为[Xe]4f¹⁴6s²，最外面价电子层有两个电子，能级结构如图1所示。在光钟实验中所用到的跃迁能级有以下几个，分别为：

图1 ¹⁷¹Yb原子光钟相关能级简图

（1）6s^{2 1}S₀-6s6p ¹P₁：自然线宽为~29 MHz，上态6s6p ¹P₁的能级寿命为5.5 ns，用于冷镱原子的Zeeman减速、一级多普勒冷却和荧光探测等。

（2）6s²¹S₀-6s6p ³P₀：该跃迁是双重禁戒跃迁，但由于与其它能级的超精细作用，从而可以发生微弱的跃迁，自然线宽~10 mHz，可用于钟跃迁探测。

（3）6s²¹S₀-6s6p ³P₁：自然线宽约为~182 kHz，上能级寿命约为873 ns，用于镱原子的二级多普勒冷却和自旋极化态制备。

（4）6s6p ³P_0，2-6s7s ³S₁：作为泵浦光，用于将在6s6p ³P₀和6s6p ³P₂上的原子抽回到6s²¹S₀基态，实现归一化探测。

3. 冷镱原子光钟简介

冷镱原子光钟的组成部分可大致分为三部分，包含冷原子系统、超窄钟探询光系统和光梳测量系统。冷原子系统是整套光钟系统的核心部分，复杂程度最高。由于系统复杂，使用到众多的先进技术，光钟是目前世界上最具有挑战的研究课题之一。

图2 ¹⁷¹Yb原子光钟系统示意图

图3 ¹⁷¹Yb原子光钟实验简图

图3为¹⁷¹Yb原子光钟实验原理简图。主要实验过程包括：

1）镱原子的激光冷却

（1）将镱原子炉加热至400 ℃，热镱原子束经炉嘴喷出，紧接着在横向上两对对射的激光束组成两维光黏胶（2D-OM）对发散的原子束进行横向准直。

（2）此时原子轴向平均速度在300 m/s左右，经过塞曼减速器后原子可被减速至~10 m/s，并被399nm MOT捕获。

（3）经Zeeman减速后的原子装载到399 nm磁光阱（MOT）后，原子团温度可以被冷却到~1 mK。为了获得更低的原子温度，紧接着采用556 nm激光进行二级冷却，原子温度可以降到10 uK以下，随后将原子装载到魔术波长的光晶格（759 nm）中，在光晶格中实现自旋极化和钟跃迁探询。原子信号可以由光电倍增管（PMT）探测，原子图像由增强型电荷耦合器件（ICCD）采集获得。

图4 镱原子MOT与光晶格图

2）态制备和钟态探询

（1）实验时采用556 nm的激光对基态Zeeman磁子能级（）上的原子进行自旋极化，将原子制备到单一的基态磁子能级上以提高谱线的激发率。

（2）钟探询激光的线宽以及稳定度是限制冷镱原子光钟秒稳的重要因素。1156 nm的激光锁定在精细度约290000的超稳FP腔上，具有Hz量级线宽，经倍频得到578nm的钟激光用于钟跃迁谱线的探询。随后使用649 nm与770 nm的回泵激光将³P_0,2态上原子抽运回基态，实现归一化探测。

3）光钟性能评估

图5为578 nm钟跃迁边带谱及载波谱，在600 ms的Rabi探测脉冲下，获得了1.9 Hz的钟跃迁谱线，接近傅里叶极限线宽。将578 nm激光锁定在冷镱原子的钟跃迁谱线上，经长时间的闭环锁定，环内稳定度达到了9×10^-18@20000 s。通过两台光钟同步比对，获得单台光钟的不稳定度为4.6×10^-16/τ^1/2，如图6所示。

图5 钟跃迁边带谱及载波谱

图6光钟闭环锁定后环内不稳定度（左）及单台光钟不稳定度（右）

4. 冷镱原子光钟绝对频率测量

绝对频率的测量是光钟研究的重要内容之一，也标志着光钟系统的最终建立。一般需要将光频参考到原子跃迁，再通过光学频率梳链接光频和微波频率标准，从而实现光频溯源到“秒”定义。实验时，在闭环锁定过程中，用光学频率梳对578 nm钟激光频率进行测量，光梳参考在氢钟上，并通过建立在华东师范大学和中国计量科学研究院间的GPS载波相位频率传递链路进行校准，最终将光钟频率溯源到国际原子时上。经过15天的连续测量，并对整个测量系统及传递链路不确定度进行评估，获得了¹⁷¹Yb钟跃迁频率为518 295 836 590 863.30(38) Hz，相应不确定度为7.3×10^-16。该工作已于2020年10月顺利发表在《计量》上(Metrologia 57, 065017 (2020))，同时得到了审稿人高度评价“他们的测量值与国际重量和测量委员会(CIPM)所认可的作为国际单位秒二级定义的中性镱原子的推荐值很好地吻合。”另外，我们也向国际时间频率咨询委员会（CCTF）提交了冷镱原子光钟绝对频率测量值，在2020年11月收到被国际频率标准工作小组（WGFS）接受的通知。

     (a)                                                                      (b)

图7 （a）华东师范大学（ECNU）和中国计量科学研究（NIM）院间建立GPS载波相位频率传递链路；（b）本小组及世界上其他Yb光钟小组绝对频率测量值

1号冷镱原子光钟（Yb1）        2号冷镱原子光钟（Yb2）

图8 ECNU两套冷镱原子光钟实景图

5. 展望

得益于冷原子精密光谱技术的快速发展，冷原子光钟已逐步走向成熟，目前世界上最好的光钟不稳定度和不确定度都达到了小数10^-18量级以下。可以预见，冷原子光钟有望取代铯喷泉钟重新定义国际单位制“秒”。发展基于冷原子的高精度的光钟，可以为我国建立基于光钟的新一代时间频率计量体系奠定技术基础，对之后国际上重新定义秒的问题争得发言权具有重要意义。另外，将高精度光钟作为精确测量的手段和工具，可以实现对其它许多物理量和物理参数的精确测量，将测量精度在目前基础上提高数个数量级。在光钟的应用方面，发展基于空间站的空间原子光钟，可以对相对论在更高精度上进行测量和验证，可以对地球表面重力势场进行精确测量，可以用于寻找暗物质和探测引力波等，同时也可以为下一代GPS打下坚实技术基础，为之后我国发展对航天器的精确导航和深空探测奠定做技术铺垫，弥补我国在相关领域的弱势地位，促进我国航天技术的快速发展。发展小型光学原子钟将对促进其更广泛层次应用具有无比重要的意义。而要实现光钟小型化，主要方面为物理系统的小型化，如FP腔系统和光梳系统等，这需要与其它一些物理学科进行合作，如微腔学科的研究等。超高精度光钟的研发，将会促进现有科研体系与方法的进步与精化，甚至开创物理学和科技的新领域。

课题二：核磁共振陀螺仪的研究

惯性导航系统作为一种自主式导航系统，由于其不依赖于外部信息，因而具有极高的隐蔽性且不受时间、环境和地域的限制，在全球定位系统（GPS）和北斗卫星导航系统（BDS）无法正常工作的特殊环境（如洞穴、深海）中依然可以实现运载体的精确导航。陀螺仪作为惯性导航和惯性测量的核心器件之一，被广泛应用于航空、航天、航海等军事和民用领域。

图1 陀螺仪的应用领域

目前正在使用的陀螺仪因为无法兼得高精度与小型化，成为了限制惯性导航系统性能进一步提升的瓶颈。核磁共振陀螺仪因有着精度高、体积小、成本低且对加速度不敏感等优点，并正在向芯片级尺寸、战略级精度发展，已成为惯性导航领域新的研究热点。

1. 原子简介

目前的核磁共振陀螺仪多采用碱金属-惰性气体原子的方案。其中常选用的碱金属原子为Rb，Cs和K，由于Cs原子在同温度下相比其他碱金属原子具有更高的饱和蒸气压，且Cs原子只有一种稳定的同位素；而Xe原子具有两个稳定的同位素¹²⁹Xe和¹³¹Xe可以排除静磁场的干扰，因此实验中基于¹³³Cs-¹²⁹Xe/¹³¹Xe进行研究。

2. 核磁共振陀螺仪相关能级结构

实验中激光主要与¹³³Cs原子作用，¹³³Cs的能级结构如图2所示：

6²S_1/2-6²P_1/2：该跃迁为¹³³Cs原子D1线，采用圆偏振光实现¹³³Cs原子的光泵浦极化。

6²S_1/2-6²P_3/2：该跃迁为¹³³Cs原子D2线，采用线偏振光构成原子磁强计，来探测惰性气体原子的进动频率。

图2 核磁共振陀螺仪相关能级简图

3. 核磁共振陀螺仪组成及工作过程

图3 核磁共振陀螺仪实验装置示意图

图4 核磁共振陀螺仪实验装置实物图

核磁共振陀螺仪的核心部件即原子气室，其中含有碱金属原子（¹³³Cs）的饱和蒸气、惰性气体（¹²⁹Xe/¹³¹Xe）以及缓冲气体（N₂）。核磁共振陀螺仪的工作原理主要可以分为光泵浦极化、核磁共振过程和进动频率探测三个部分。

1）光泵浦极化：在圆偏振泵浦光的作用下，碱金属原子极化并通过与惰性气体原子不断的自旋交换碰撞，从而实现惰性气体原子的极化。

2）核磁共振过程：惰性气体原子极化形成宏观磁矩后，在激励磁场的作用下会逐步偏离外加静磁场的方向，并且围绕静磁场方向进行频率恒定的拉莫尔进动。

3）进动频率探测：通过构建碱金属原子磁强计，可以实时探测惰性气体原子极化后宏观磁矩的进动频率。如果陀螺仪装置产生转动，则原子磁强计探测到的进动频率就会发生变化，通过测量频差即可获知陀螺仪装置的转动角速度，实现陀螺仪对转动角速度的测量。

图5 核磁共振陀螺仪实验原理图

4. 当前研究进展：

目前已搭建核磁共振陀螺仪实验样机，研制应用于核磁共振陀螺仪的三轴原子磁强计，实现了在x和y方向上100 fT/Hz^1/2和z方向上20 fT/Hz^1/2的磁场测量灵敏度。与同类的三轴原子磁强计相比，实现的磁场灵敏度和频率带宽较好，且更适用于核磁共振陀螺仪角速度的精密测量。该研究成果已在期刊“Applied Physics Letters”上正式发表(Appl. Phys. Lett., 2020, 116(3): 034001)。高灵敏度三轴原子磁强计作为优化核磁共振陀螺仪性能的关键技术，将在惯性导航领域产生重大应用价值。

图6 三轴原子磁强计分别关于xyz三方向磁场的响应

图7 三轴原子磁强计的磁场测量灵敏度

课题三：量子计算和量子模拟

1.拓扑量子计算和Majorana费米子简介

量子计算是利用量子力学现象如叠加态、纠缠等进行的计算，由于量子计算具有并行运算的特点，其潜在的计算能力远远超过传统的计算，但是一般量子计算中存在着量子态易受环境的干扰发生退相干的问题。基于非阿贝尔任意子的拓扑量子计算在硬件层面具有容错的特性，能够有效的抵抗局域环境的干扰。Majorana费米子是一种电中性的费米子，反粒子是它的自身，在拓扑超导或超流中，Majorana 费米子可以作为集体激发的准粒子存在，是最简单的非阿贝尔任意子，遵从非阿贝尔交换统计。两个Majorana费米子在空间位置交换（编织）不仅仅会引起相位的改变，而且使系统演化为一个不同的量子态。通过对Majorana费米子的编织可以实现拓扑量子计算的量子门的操作, 并且其与路径的细节无关。

图 1 Majorana费米子编织示意图

2.冷原子量子模拟：

量子模拟是指利用人工手段构造一个相对易于操控和研究的量子系统来模拟另一个量子系统的性质。随着冷原子系统中实验技术的发展，超冷原子体系可以用于模拟凝聚态中的一些重要模型，研究新奇的物态。相对于固体系统，冷原子系统具有高度的灵活性和可控性，同时系统更加的纯净。在冷原子体系，实验上可以通过激光场干涉构造出具有周期性势阱的光晶格，原子囚禁到光晶格中，光晶格是用来进行量子模拟的通用工具，类似于固体系统的晶格结构。此外，Feshbach共振技术为有效的调节原子间的相互作用提供了有力的工具，具有人工自旋轨道耦合的冷原子系统为拓扑物态的研究提供了一个便利的量子模拟平台。冷原子系统是产生和观测Majorana费米子理想平台。

图 2钟激光人工自旋轨道耦合示意图

3.研究内容：

本课题聚焦于冷镱原子系统中拓扑物态、Majorana费米子的理论和实验研究。本课题研究的内容主要包括：

（1）冷镱原子间相互作用的调控。我们计划利用轨道Feshbach共振等技术，实现对镱原子间的散射长度进行调节，对镱原子体系BEC-BCS crossover等问题进行研究

（2）钟激光诱导人工自旋轨道耦合。相对于Raman诱导自旋轨道耦合的方案，利用钟跃迁产生人工自旋轨道耦合可以有效抑制加热效应。我们将利用钟跃迁在镱原子光晶格钟中实现的人工自旋轨道耦合，并在此基础上进行拓扑态的量子模拟，探索新奇拓扑相。

（3）冷镱原子系统中Majorana费米子的研究。当前我们在对具有自旋轨道耦合的准一维或准二维的冷镱原子体系中产生Majorana费米子的方案进行理论上的分析，并对实验参数进行估计。之后, 我们希望在实验上制备处于拓扑超流相的冷镱原子，在拓扑缺陷中如一维原子链的端点或二维系统的涡旋将出现Majorana费米子，可以通过射频谱探测Majorana费米子信号。在此基础上, 对Majorana费米子进行编织，并对其非阿贝尔的量子统计特性进行研究。

图 3产生Majorana费米子的方案简图

课题四：高精度时间与频率传输

1.     高精度时频传输简介

高稳定度、高准确度的时间频率标准是人们一直追求的目标。自第一台原子钟发明后，原子频率标准的性能不断得以提升，发展至今，研究热点已从微波原子钟转移至光频原子钟（即光钟）。然而，传统基于自由空间的微波信号传输已无法满足更高精度原子钟的远程同步与比对，例如，以卫星双向时间频率传递(TWSTFT)为代表的比对系统没有能力传输高稳定的光钟信号。研究表明，利用光纤网络进行精密光频传输最有前途。

除传输光频载波外，目前可传输的信号还包括光梳脉冲和射频/微波。尽管射频/微波传输的精度不如光频载波传输，但射频/微波应用具有更高的灵活性，使得传输系统更易部署。本小组基于光纤链路开展高精度射频/微波传输、高精度光频传输和高精度时间传输，使本小组的光钟信号能得到有效的分发和共享，为远程光钟比对及相关应用作准备。

2.     研究内容     

2.1   高精度射频/微波传输

在高精度射频频率的光纤传输中，主要解决如何消除因光纤传输时延受振动、温度、光纤老化等变化导致的传输时延漂移和漂移累积给射频频率传输带来的不良影响。常用的方案可以大致分为：双向时间频率传递方法、光学机械温度补偿方法、电子共轭相位补偿方法。本小组基于电子共轭相位补偿方法，建立了50 km光纤链路上的射频频率传输的原理样机，实现100 MHz的射频信号50 km传输稳定度优于5×10^-14 τ^-1,并应用于长期进行氢钟比对实验。

图1基于光纤链路的高精度时频传输示意图

2.2   高精度光频频率传输

图2高精度光频标传输链路示意图

结合本小组的光学原子钟，通过光学频率梳和光纤相位噪声抑制技术可以将光钟的频率稳定度经过光纤传递到远端。

2.3 高精度时间传输

在高精度射频频率传输的基础上，实现光纤时延的皮秒级精确测量、精确地对光纤时延进行抵消或补偿，是实现高精度时间光纤传递的核心和关键。时间延迟的补偿方法可以通过光纤延迟线实现，也可以通过射频延迟线实现。

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        非常欢迎有志向的学生报考我们课题组的硕士和博士研究生！也真诚地欢迎愿意从事科学研究的人员来我们课题组工作，包括开展博士后研究工作等!

       请联系徐老师：xyxu@phy.ecnu.edu.cn

1）讲授研究生课程：《近代原子物理》

2）讲授本科生课程：1)《理论力学》; 2）《精密光学实验一》。

1）上海市科技重大专项子任务，“冷镱原子光钟的研究及应用”，2019/07-2024/06，负责人。

2）国家重点研发计划项目课题，2016YFA0302103, “光频量子频标”,2016/07-2021/06，负责人。

3）国家高技术研究发展计划 (863)子课题，2014AA123401，“自旋磁共振技术”，2014/09-2017/12，负责人。

4）国家自然科学基金重点项目，11134003，“应用于光钟的镱原子深度冷却与精密操控研究”，2012/01-2016/12，负责人。

5）国家重点基础研究发展计划 (973)项目课题，2012CB821302，“光晶格原子光频标”，2012/01-2016/08，负责人。

6）上海市优秀学术带头人计划，2012年，“基于冷原子的精密光谱和精密测量研究”。

7）国家自然科学基金面上项目，10774044，“光学原子钟的三维光晶格理论与实验研究”，2008/1-2010/12，负责人。

代表性论文:

1）1993年度获浙江省科技进步三等奖，第五完成人。

2）2012年获上海市优秀学术带头人计划。

3）2020年上海市激光学会五十周年个人贡献奖。