[論文レビュー] Resolving the gravitational redshift within a millimeter atomic sample

Tobias Bothwell, Colin J. Kennedy+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 36被引用数 30

ひとこと要約

この論文は、ミリメートルスケールの超低温ストロンチウム原子サンプル内で線形の重力赤方偏移勾配を測定し、周波数の分数的不確かさを7.6×10^-21より小さく達成し、サンプル内の重力摂動を今後の時計実験に向けて強調している。

ABSTRACT

Einstein's theory of general relativity states that clocks at different gravitational potentials tick at different rates - an effect known as the gravitational redshift. As fundamental probes of space and time, atomic clocks have long served to test this prediction at distance scales from 30 centimeters to thousands of kilometers. Ultimately, clocks will study the union of general relativity and quantum mechanics once they become sensitive to the finite wavefunction of quantum objects oscillating in curved spacetime. Towards this regime, we measure a linear frequency gradient consistent with the gravitational redshift within a single millimeter scale sample of ultracold strontium. Our result is enabled by improving the fractional frequency measurement uncertainty by more than a factor of 10, now reaching 7.6$\times 10^{-21}$. This heralds a new regime of clock operation necessitating intra-sample corrections for gravitational perturbations.

研究の動機と目的

• 量子系のサブセンチメートル規模での重力赤方偏移を探る動機づけを行う。
• ミリメートル級の原子サンプルにおいて、重力赤方偏移に一致する線形周波数勾配を測定する。
• サンプル内の重力効果を時計に対して明らかにするため、分数周波数不確かさを改善する。

提案手法

• 超低温ストロンチウム原子を用いてミリメートルスケールの光時計を動作させる。
• 精度を向上させ、分数周波数不確かさを7.6×10^-21へ、10倍以上の精度で測定する。
• サンプル内に存在する重力赤方偏移を示す線形周波数勾配を検出する。
• 原子サンプル内部の重力による摂動と補正を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋にミリメートル規模の原子サンプル内で重力赤方偏移を解明できるか？
• RQ2 サンプル内の重力赤方偏移勾配の大きさはどれくらいで、実験的に系統的効果と区別できるか？
• RQ3 分数周波数不確かさの改善が、時計におけるサンプル内の重力補正の必要性にどう影響するか？

主な発見

• 重力赤方偏移と一致する線形周波数勾配が、ミリメートル規模の超冷却ストロンチウムサンプル内で観測された。
• 分数周波数不確かさは10倍以上改善され、7.6×10^-21に達した。
• この結果は、将来の小スケール時計運用において、サンプル内の重力摂動に対する補正の必要性を示唆している。