[論文レビュー] Frequency Ratio of ${}^{199}$Hg and ${}^{87}$Sr Optical Lattice Clocks beyond the SI Limit

K. Yamanaka, Noriaki Ohmae+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2015

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、199Hgと87Srの光学格子時計間の周波数比を8.4×10⁻¹⁷の分数不確かさで測定し、SI秒の不確かさ限界を上回った。格子光シフト（特に多極極効率を含む）を精密に特徴づけることで、Hg時計の総系統的不確かさは7.2×10⁻¹⁷にまで低減され、微細構造定数の定数性を含む高精度な基礎物理学の検証が可能になった。

ABSTRACT

We report on a frequency ratio measurement of a ${}^{199}$Hg-based optical lattice clock referencing a ${}^{87}$Sr-based clock. Evaluations of lattice light shift, including atomic-motion-dependent shift, enable us to achieve a total systematic uncertainty of $7.2 imes 10^{-17}$ for the Hg clock. The frequency ratio is measured to be $ν_{ m Hg}/ν_{ m Sr}=2.629\, 314\, 209\, 898\, 909\, 60(22)$ with a fractional uncertainty of $8.4 imes 10^{-17}$, which is smaller than the uncertainty of the realization of the SI second, i.e., the SI limit.

研究の動機と目的

• SI秒の不確かさ限界を下回る199Hgと87Sr光学格子時計間の周波数比を達成すること。
• 特に格子光シフトを含む199Hg光学格子時計の系統的不確かさを10⁻¹⁶未満に低減すること。
• Hgを感度の高いプローブとして用いることで、微細構造定数αの定数性に対する高精度な検証を可能にすること。
• 長期間の周波数比較におけるSr時計をαに依存しない基準として使用することの妥当性を検証すること。

提案手法

• 199Hg光学格子時計を363 nmのマジック波長で動作させ、254 nmの1S₀–3P₁遷移を用いてレーザー冷却を行う。
• 65 E_Rのトラップ深さを有する一次元光学格子に原子を荷電し、加熱効果を低減するために振動状態を冷却する。
• 266 nmの1S₀–3P₀時計遷移を、光学周波数コンブを介してSr時計レーザーにロックされたレーザーでプローブする。
• 格子光シフトは、高次項を含む多極極効率を用いて評価され、系統的シフトを補正する。
• 1.5 sのサイクル時間で複数サイクルにわたって2時計を同期的に比較することで、周波数比ν_Hg/ν_Srを測定する。
• 温度、磁場、重力、およびDick効果制限ノイズ解析を通じて系統的不確かさを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 199Hgと87Sr光学格子時計間の周波数比は、SI秒の不確かさ限界を下回る不確かさで測定可能か？
• RQ2 多極極効率はHg時計の格子光シフトにどのように影響し、系統的不確かさを低減するために正確にモデル化可能か？
• RQ3 CIPMが推奨する87Sr周波数を基準として、199Hgの1S₀–3P₀遷移の絶対周波数は何か？
• RQ4 格子誘起シフトの包括的補正により、Hg時計の系統的不確かさは7.2×10⁻¹⁷にまで低減可能か？
• RQ5 この周波数比測定は、微細構造定数αの時間変動性を検証する上でどのような可能性を秘めているか？

主な発見

• 周波数比ν_Hg/ν_Srは2.629 314 209 898 909 60(22)として測定され、分数不確かさ8.4×10⁻¹⁷を達成。SI秒の不確かさ限界を上回った。
• 199Hg光学格子時計は、多極極効率と格子光シフトの詳細なモデル化により、総系統的不確かさ7.2×10⁻¹⁷を達成した。
• CIPMが推奨する87Sr周波数を基準として、199Hg時計遷移の絶対周波数は1 128 575 290 808 155.4(1.1) Hzと決定された。
• 1σ不確かさの範囲内でLNE-SYRTEグループの結果と整合しており、複数研究機関間の再現性が裏付けられた。
• 比測定の不安定度は3×10⁻¹⁵/√τに達し、Dick効果が制限要因である。量子投影ノイズは4×10⁻¹⁶/√τにとどまる。
• 今後の微細構造定数αの定数性検証には、Δα/α ≈ 0.8Δν/ν_Hgの感度が得られ、1年間で10⁻¹⁷レベルの感度に到達可能である。