[論文レビュー] Blackbody radiation shift of the 27Al+ 1S0 - 3P0 transition

T. Rosenband, Wayne M. Itano+5 more|ArXiv.org|Nov 14, 2006

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、1126 nm の近赤外ストarkシフトを用いて、27Al⁺ 1S₀ → ³P₀ クロック遷移の微分的イソリス化率を測定し、黒体放射シフトの高精度な決定を可能にした。得られた室温下での黒体放射シフトは Δν/ν = −8(3)×10⁻¹⁸ であり、任意の原子遷移において最も低い既知の値であり、光学周波数標準における系統的不確かさを顕著に低減している。

ABSTRACT

The differential polarizability, due to near-infrared light at 1126 nm, of the 27Al+ 1S0 -> 3P0 clock transition is measured to be 4πε_0 x (1.6 +/- 0.5) x 10^{-31} m^3. This measurement is combined with experimental oscillator strengths to extrapolate the differential static polarizability of the clock transition as 4πε_0 x (1.5 +/- 0.5) x 10^{-31} m^3. The resulting room temperature blackbody fractional frequency shift of -8(3) x 10^{-18} is the lowest known shift of all atomic transitions under consideration for optical frequency standards. A method is presented to estimate the differential static polarizability of an optical transition, from a differential light shift measurement.

研究の動機と目的

• 27Al⁺ 1S₀ → ³P₀ 光学クロック遷移の黒体放射シフトを、分数不確かさ10⁻¹⁷未満で決定すること。
• オscillator強度の外挿に基づく推定に頼らず、1126 nm での微分的イソリス化率の測定により、黒体シフト推定値の不確かさを低減すること。
• 微分的光シフト測定から微分的静的イソリス化率を推定する手法を示すこと。
• 27Al⁺ が、他のイオンが冷却操作を必要とするのに対し、室温下の背景状態の知識（5 K の不確かさ）のみで系統的制御が可能であることを示すこと。

提案手法

• 600 mW のファイバーレーザーを用いて、トラップ内の1個の 27Al⁺ イオンに既知の強度を照射し、1126 nm における微分的イソリス化率 Δα(ω) を測定する。
• 安定な ULE キャビティを用いてレーザー周波数をロックし、クロック遷移のストークシフトを高精度で測定する。
• 関係式 Δα(0) ≈ Δα(ω) × (1 + δ² + δ³) を用いて、δ = ω / ωᵢ であることを考慮し、1126 nm 測定値から微分的静的イソリス化率を外挿する。
• 測定された Δα(0) を、黒体放射スペクトルと組み合わせ、積分式 Δν = −1/(4ε₀π³c³) ∫₀^∞ Δα(ω) ω³ / (e^{ℏω/kBT} − 1) dω を用いて黒体シフトを計算する。
• NIST 原子スペクトルデータベースおよびオプアシティ・プロジェクトのデータを用いて、初期の Δα(0) を推定する。
• オscillator強度に保守的な不確かさ（最大20%）を適用し、1126 nm 測定値に1%の分数不確かさを追加して、最終的な不確かさを制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 27Al⁺ 1S₀ → ³P₀ クロック遷移の微分的静的イソリス化率 Δα(0) は何か？ そして、不確かさを低減してどのように測定できるか？
• RQ2 27Al⁺ クロック遷移の黒体放射シフトは、現在用いられているか、提案されている他の原子系と比較してどうか？
• RQ3 10 μm の放射に直接アクセスできない状況下でも、1126 nm での微分的光シフト測定を用いて、室温下での黒体シフトを正確に推定できるか？
• RQ4 27Al⁺ 周波数標準において、全系統的不確かさを 10⁻¹⁸ 未満に抑えるために、室温下の背景温度にどの程度の安定性が求められるか？

主な発見

• 1126 nm における微分的イソリス化率は Δα = 4πε₀ × (1.6 ± 0.5) × 10⁻³¹ m³ として測定された。
• 外挿された微分的静的イソリス化率は Δα(0) = 4πε₀ × (1.5 ± 0.5) × 10⁻³¹ m³ である。
• 得られた室温下の黒体放射シフトは Δν/ν = −8(3) × 10⁻¹⁸ であり、任意の原子遷移において最も低い既知の値である。
• 黒体シフトの不確かさは、1126 nm レーザーの出力安定性に起因しており、オscillator強度の不確かさに起因するものではない。
• 27Al⁺ イオンは、室温下の黒体背景を 5 K の不確かさで知っているだけで、10⁻¹⁸ 未満の系統的不確かさを達成できる。
• 1⁹⁹Hg⁺ や他のイオンとは異なり、27Al⁺ は極めて小さな黒体シフトのおかげで冷却操作を必要としない。