氢分子离子(HD+)
少电子原子分子精密谱研究是检验基本物理理论、精确测量基本物理常数以及探索前沿基础物理问题的理想平台。其中，HD⁺分子离子（由一个质子、一个氘核和一个电子组成）是最简单的异核分子体系。由于它结构简单，我们可以用量子电动力学（QED）——描述微观粒子相互作用的精确理论——对它的能级结构进行极高精度的计算，从而准确预测其吸收或发射光子的频率。
HD+
HD⁺分子的振动和转动能量与原子核及电子的质量密切相关。采用激光光谱技术精确测量HD⁺的振动-转动跃迁频率（即分子内部振动和转动状态变化时吸收或发射光子的频率），再结合理论计算，就能高精度测定质子与电子的质量比（mₚ/mₑ）常数。与传统方法（在潘宁阱中分别测量质子和电子质量）相比，这种基于分子光谱的方法可以获得更高的精度，为国际科学数据委员会（CODATA）提供高精度实验数据，同时也为检验质量测量的可靠性提供了独立的验证途径。
另一方面，将HD⁺振转光谱的理论预测与实验测量值进行比对，不仅可以验证三粒子体系QED理论的正确性，还能推动理论向更高精度（高阶QED效应）发展。此外，如果实验与理论出现偏差，可能预示着"新物理"的存在。例如，可以为理论预言的"第五种基本力"或新的核子间相互作用设定实验上限，从而为探索超越现有标准模型的物理现象提供重要线索。
实验方面，为了消除分子热运动导致的多普勒展宽，首先需要将HD⁺分子冷却到接近绝对零度的毫开尔文量级。然而，HD⁺分子缺乏可供激光反复驱动的循环跃迁能级，无法像原子那样直接被激光冷却。为此，我们采用协同冷却技术：先将铍离子（Be⁺）激光冷却，再利用库仑相互作用将HD⁺分子与"冷"的Be⁺离子耦合，使HD⁺分子被冷却下来，最终形成规则排列的Be⁺-HD⁺离子库仑晶体。
HD+分子内部具有大量的振动和转动能级，被协同冷却的HD+分子离子还具有较高的内能，布居在多个振转能级上。为了提高光谱测量的信噪比，需要通过激光操控HD+分子的内态，将HD+分子制备到特定的振转量子态上。
此外，为进一步消除一阶多普勒展宽，需要更加精密的控制分子的内态（超精细结构）和外态（亚多普勒冷却），发展量子逻辑光谱（QLS）或双光子跃迁光谱探测技术，使HD⁺分子进入Lamb-Dicke区——即分子被束缚在远小于探测激光有效波长的空间范围内，从而实现高精度的光谱测量。
Be+/HD+离子的双组分库仑晶体
钍核光钟
目前最精确的时间频率标准为原子钟。通过将激光频率锁定到某些原子的外层电子跃迁上，从而实现时间频率的测量。然而，原子外层电子跃迁容易受到外部环境的影响，比如电磁场、温度变化、原子间碰撞等。为了进一步提高时间频率测量的精确度，科学家们提出了核光钟的方案。
钍核光钟基于钍-229原子核中特殊的低能级核跃迁（8.4eV）实现时间频率测量。其极低的核能级可使用波长为148nm的真空紫外激光进行锁定。由于核外电子对外部环境（电磁场、温度等）的屏蔽效应，原子核跃迁比电子跃迁更稳定，核跃迁比核外电子跃迁线宽更窄。预计钍核光钟的精度将会超过现有的原子钟，成为未来最精确的时间频率标准。
用于实现核光钟的物理体系，主要有基于囚禁钍离子的离子阱方案，惨钍晶体方案，四氟化钍薄膜方案。其中，离子阱方案是将钍三价离子使用离子阱囚禁，并通过协同冷却与激光冷却将钍三价离子冷却至几mK。在这个温度下，钍离子会形成一种被成为库伦晶体的有序结构。库伦晶体中的钍离子与环境隔绝，可以被长时间囚禁，因而是用于实现核光钟的优良体系。惨钍晶体，是将钍-229掺杂到真空紫外透明的晶体（如氟化钙，氟化镁）中，再用148nm的激光对钍-229核跃迁进行激发。惨钍晶体可实现同时对大量钍核进行激光频率锁定。然而惨钍晶体中的钍核跃迁也会受到晶体环境的影响。还有一种方案是直接使用四氟化钍薄膜，即将四氟化钍以薄膜的形式镀在氟化钙或氟化镁等真空紫外晶体的表面，然后对钍核跃迁进行激光锁定。
在获得了实现核光钟的物理体系后，下一步就是对钍核跃迁进行激发。国际上，在掺钍晶体体系中，已通过四波混频真空紫外激光、真空紫外光梳成功对钍核跃迁激发，并测量了掺钍晶体中的钍核跃迁频率。对于离子体系，所需要的真空紫外激光需要更高的功率谱密度。因而波长位于148nm的高功率连续光激光正在研发当中。另一种可行的激发方案为电子桥跃迁激发。电子桥跃迁是电子跃迁和核跃迁耦合的跃迁。通过电子桥激发，体系的核外电子态与核态会被同时改变。相比于直接激发核跃迁，电子桥跃迁可以避免对波长148nm连续激光的需求。同时，某些电子桥跃迁比直接激发核跃迁具有更大的激发几率。
本实验室的主要研究方向为发展基于囚禁钍离子的核光钟。同时也参与合作研发基于四氟化钍薄膜的核光钟。理论方面也在探索实现核光钟的钟跃迁闭合循环方案。
