[論文レビュー] Frequency comparisons and absolute frequency measurements of 171Yb+ single-ion optical frequency standards

E. Peik, B. Lipphardt+4 more|ArXiv.org|Apr 14, 2005

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 11

ひとこと要約

この論文では、ポールトラップ内のレーザー冷却イオンを用いて、171Yb+単一イオン光学周波数標準の高精度な周波数比較および絶対周波数測定が行われた。2つの独立した171Yb+システムを436 nmの電気四重極遷移に安定化させることで、1000秒での相対不安定性が5×10⁻¹⁶に達し、系のずれを1 Hz未塔に分解できるようになった。主な結果として、構造定数の時間的変化に対するきびしい制限が得られた：∂α/∂t = (−0.3 ± 2.0)×10⁻¹⁵ yr⁻¹。これは、これまでの原子時計比較による最もきつい制限である。

ABSTRACT

We describe experiments with an optical frequency standard based on a laser cooled $^{171}$Yb$^+$ ion confined in a radiofrequency Paul trap. The electric-quadrupole transition from the $^2S_{1/2}(F=0)$ ground state to the $^2D_{3/2}(F=2)$ state at the wavelength of 436 nm is used as the reference transition. In order to compare two $^{171}$Yb$^+$ standards, separate frequency servo systems are employed to stabilize two probe laser frequencies to the reference transition line centers of two independently stored ions. The experimental results indicate a relative instability (Allan standard deviation) of the optical frequency difference between the two systems of $σ_y(1000 { m s})=5\cdot 10^{-16}$ only, so that shifts in the sub-hertz range can be resolved. Shifts of several hertz are observed if a stationary electric field gradient is superimposed on the radiofrequency trap field. The absolute optical transition frequency of Yb$^+$ at 688 THz was measured with a cesium atomic clock at two times separated by 2.8 years. A temporal variation of this frequency can be excluded within a $1σ$ relative uncertainty of $4.4\cdot 10^{-15}$ yr$^{-1}$. Combined with recently published values for the constancy of other transition frequencies this measurement provides a limit on the present variability of the fine structure constant $α$ at the level of $2.0\cdot 10^{-15}$ yr$^{-1}$.

研究の動機と目的

• 2つの独立して捕獲されたイオンを用いて、171Yb+光学周波数標準の安定性および系のずれを評価すること。
• セシウムフォンテンクロックを用いて、436 nmの2S₁/₂(F=0)→2D₃/₂(F=2)遷移の絶対周波数を測定すること。
• 171Yb+、199Hg+、および水素の1S→2S遷移のデータを組み合わせることで、構造定数αの不変性を検証すること。
• 複数の原子系を用いて、αの時間的変化およびリュードバーグ周波数のモデルに依存しない制限を提供すること。

提案手法

• 370 nmおよび935 nmのレーザーを用いて、2つの171Yb+イオンをレーザー冷却し、別々のポールトラップに閉じ込めた。
• 871 nmのダイオードレーザーを周波数倍して436 nmの基準遷移をプローブし、交互にプローブパulsesを入射させ、励起確率の差をフィードバックとしてライン中心に安定化した。
• 2つの別個のイオンのライン中心に、独立した周波数サーボシステムを用いて2つのプローブレーザーを安定化させ、直接的な周波数比較を可能にした。
• 2.8年間にわたりセシウムフォンテンクロックを基準として、絶対光学周波数を測定し、長期安定性を評価した。
• 静的な電場勾配をトラップに印加し、周波数ずれを観測することで、系のずれを評価した。
• 171Yb+、199Hg+、および水素の1S→2S遷移のデータを重み付き線形回帰に組み合わせ、∂α/∂tおよび∂Ry/∂tの制限を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つの独立して捕獲されたイオンを用いた171Yb+光学周波数標準の短期的安定性はいかほどか？
• RQ2 電場勾配などの系のずれが、171Yb+遷移周波数にどのように影響するか？
• RQ3 171Yb+における436 nmの2S₁/₂(F=0)→2D₃/₂(F=2)遷移の絶対周波数は、セシウム時計に対してどの程度か？
• RQ4 光学周波数比較に基づく、構造定数αの時間的変化に対する最もきつい制限は何か？
• RQ5 複合原子時計データから得られるリュードバーグ周波数のドリフトレートの制限は何か？

主な発見

• 2つの171Yb+標準間の周波数差の相対不安定性はσy(1000 s) = 5×10⁻¹⁶であり、1 Hz未塔のずれを分解できる。
• 静的な電場勾配が数ヘルツの周波数ずれを引き起こし、外部場への感受性が確認された。
• 171Yb+の絶対光学遷移周波数688 THzは、2.8年間にわたり測定で変化を示さず、1σの不確かさは4.4×10⁻¹⁵ yr⁻¹であった。
• 171Yb+のデータを既知の199Hg+および水素の1S→2S測定と組み合わせることで、αの時間的変化に対する制限が得られた：∂α/∂t = (−0.3 ± 2.0)×10⁻¹⁵ yr⁻¹（95%信頼区間）。
• この解析により、リュードバーグ周波数のドリフトレートも∂Ry/∂t = (−1.6 ± 3.2)×10⁻¹⁵ yr⁻¹に制限され、0に近い値であった。
• αの変動に関する統合的制限は、宇宙論的スケールでの線形変化を仮定した場合、クェーサー観測の感度に3倍以内で近い。