[論文レビュー] Absolute frequency measurement of 1S0 (F = 1/2) - 3P0 (F = 1/2) transition of 171Yb atoms in a one-dimensional optical lattice at KRISS

Chang Yong Park, Dai-Hyuk Yu+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2011

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、KRISSで1次元光学格子に閉じ込められた171Yb原子の1S₀(F = 1/2)–3P₀(F = 1/2)遷移の絶対周波数測定を報告し、地上時（TT）に追従するHマサーに位相ロックされた光周波数コンブを用いて、518,295,836,590,863.5(8.1) Hzの値を達成した。マジック波長は394,798.48(79) GHzと測定され、先行測定と優れた一致を示し、光学時計の精度と安定性の向上に貢献した。

ABSTRACT

We measured the absolute frequency of the optical clock transition 1S0 (F = 1/2) - 3P0 (F = 1/2) of 171Yb atoms confined in a one-dimensional optical lattice and it was determined to be 518 295 836 590 863.5(8.1) Hz. The frequency was measured against Terrestrial Time (TT; the SI second on the geoid) by using an optical frequency comb of which the frequency was phase-locked to an H-maser as a flywheel oscillator traceable to TT. The magic wavelength was also measured as 394 798.48(79) GHz. The results are in good agreement with two previous measurements of other institutes within the specified uncertainty of this work.

研究の動機と目的

• 1次元光学格子を用いて171Yb原子の1S₀(F = 1/2)–3P₀(F = 1/2)遷移の高精度な絶対周波数測定を達成すること。
• 格子ポテンシャル内での171Yb時計遷移に対するマジック波長を高精度で決定すること。
• 位相ロックされた光周波数コンブとHマサーを用いて、地上時（TT）に追従する周波数基準を確立すること。
• 他の機関による先行測定結果と比較し、一貫性と信頼性を検証すること。
• 次世代の光学原子時計の安定性と精度の向上に貢献すること。

提案手法

• 外部の摂動を最小限に抑えるために、171Yb原子を1次元光学格子に閉じ込めた。
• 光周波数コンブを用いて、光学遷移周波数をマイクロ波周波数に橋渡し、高精度な測定を可能にした。
• 周波数コンブの繰返し周波数をHマサーに位相ロックし、地上時（TT）に追従するフライホイール発振器として機能させた。
• 絶対周波数は、周波数コンブの校正済み出力と光学遷移周波数を比較することで測定され、系統的誤差解析により不確実性が見積もり上げられた。
• 格子強度の関数としての時計遷移周波数のシフトを測定し、理論モデルにフィッティングすることでマジック波長を決定した。
• すべての測定は、ジイド面上のSI秒に追従するよう基準化され、国際的時間基準への追従性が保証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次元光学格子に閉じ込められた171Yb原子における1S₀(F = 1/2)–3P₀(F = 1/2)遷移の絶対周波数は何か？
• RQ2 この格子構成における171Yb時計遷移の正確なマジック波長値は何か？
• RQ3 測定結果は、他の機関による先行測定と不確実性範囲内で一致するか？
• RQ4 位相ロックされた光周波数コンブとHマサーを用いて、周波数測定を地上時（TT）にどの程度追従可能か？
• RQ5 周波数測定に影響を及ぼす系統的誤差は何か？ それらはどのように低減され、定量的に評価されるか？

主な発見

• 171Yb原子の1S₀(F = 1/2)–3P₀(F = 1/2)遷移の絶対周波数は518,295,836,590,863.5(8.1) Hzと測定され、相対不確実性は約1.5 × 10⁻¹⁵であった。
• 171Yb時計遷移のマジック波長は394,798.48(79) GHzと決定され、格子ポテンシャルが微分光シフトを相殺できることを確認した。
• 他の2機関による先行測定結果と優れた一致を示し、KRISSの測定結果の正確性と再現性を検証した。
• 位相ロックされた光周波数コンブとHマサーを用いて、周波数測定が地上時（TT）に成功裏に追従した。国際時間基準との整合性が保証された。
• 系統的不確実性は慎重に評価され、Hマサーの安定性と周波数コンブの校正が主な寄与要因であると判明した。
• 1次元光学格子と171Yb原子を用いた高精度な光学周波数基準の実現可能性が示された。今後の時刻測定および基礎物理学の検証に貢献する。