[論文レビュー] Towards Adoption of an Optical Second: Verifying Optical Clocks at the SI Limit

W. F. McGrew, X. Zhang+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2018

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 87被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、171Yb の 1S₀→3P₀ 光学遷移の絶対周波数測定において、これまでで最も高い精度を報告している—518,295,836,590,863.71(11) Hz、相対不確かさは 2.1×10⁻¹⁶—これにより、SI秒の不確かさ限界において Cs、Yb、Sr クロック間のループ閉じが可能となった。時間に伴う電子質量対陽子質量比 μ の変動に関する制約が (5.3±6.5)×10⁻¹⁷/yr まで tightened され、以前の限界に比べてほぼ2倍の改善が達成された。

ABSTRACT

The pursuit of ever more precise measures of time and frequency is likely to lead to the eventual redefinition of the second in terms of an optical atomic transition. To ensure continuity with the current definition, based on a microwave transition between hyperfine levels in ground-state $^{133}$Cs, it is necessary to measure the absolute frequency of candidate standards, which is done by comparing against a primary cesium reference. A key verification of this process can be achieved by performing a loop closure$-$comparing frequency ratios derived from absolute frequency measurements against ratios determined from direct optical comparisons. We measure the $^1$S$_0\! ightarrow^3$P$_0$ transition of $^{171}$Yb by comparing the clock frequency to an international frequency standard with the aid of a maser ensemble serving as a flywheel oscillator. Our measurements consist of 79 separate runs spanning eight months, and we determine the absolute frequency to be 518 295 836 590 863.71(11) Hz, the uncertainty of which is equivalent to a fractional frequency of $2.1 imes10^{-16}$. This absolute frequency measurement, the most accurate reported for any transition, allows us to close the Cs-Yb-Sr-Cs frequency measurement loop at an uncertainty of $

研究の動機と目的

• 光学遷移に基づくSI秒の再定義を支援するため、171Yb の 1S₀→3P₀ 遷移の絶対周波数測定を 10⁻¹⁶ 水準で達成すること。
• Cs-Yb-Sr 頻率測定ループを閉じることで、絶対周波数測定と直接的な光学比較の整合性を検証すること。
• 特に電子対陽子質量比 μ の時間的・重力的変動を制約すること。
• 複数の光学クロックからの長期データを用いて、μ と微細構造定数 α の時間変動限界を高精度に改善すること。

提案手法

• マスター発振器としてのメーザ群を用いて、171Yb の 1S₀→3P₀ 遷移周波数を一次セシウムフォトンクロックと比較することで絶対周波数を測定した。
• 8か月にわたる79回の測定で、系統的不確かさは 1.4×10⁻¹⁸ まで低減され、主に黒体放射と2次ゼーマンシフトが支配的であった。
• 絶対測定と直接的な光学比較の両方から周波数比を導出し、現在のSI秒の不確かさレベルでループ閉じテストを実施した。
• 統計的および系統的不確かさを伝搬させ、重力ポテンシャルの変動や基本定数の時間的ドリフトの寄与を含めた。
• 7つのYbおよび17個の再スケーリング済みSrの絶対周波数測定データを、正弦波的および線形モデルにフィットさせ、μ の変動に関する制約を抽出した。
• 既知の行列要素と α および Xq に関する既存の制約を用いて、Yb-Sr比の α および μ 変動への感受性を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cs、Yb、Sr の光学クロック間の周波数比を、10⁻¹⁶ の不確かさレベルで十分に一貫性を持って測定でき、SI秒の不確かさ限界でループを閉じられるか？
• RQ2 171Yb の 1S₀→3P₀ 遷移の絶対周波数測定で、これまでで最も高い精度の測定値は何か？
• RQ3 長期的な光学クロック測定は、電子対陽子質量比 μ の時間的変動をどのように制約するか？
• RQ4 重力ポテンシャルの変動が測定された周波数比に及ぼす影響はどの程度で、分析でどのように補正されるか？
• RQ5 複数の光学クロックからの統合データは、μ の時間的変動に関する制約を、以前の限界を上回る精度で改善できるか？

主な発見

• 171Yb の 1S₀→3P₀ 遷移の絶対周波数は 518,295,836,590,863.71(11) Hz と測定され、相対不確かさは 2.1×10⁻¹⁶ であり、これまで報告されたあらゆる原子遷移の中で最も高い精度であった。
• Cs、Yb、Sr の周波数測定間のループ閉じが、3×10⁻¹⁶ 未満の不確かさで達成されたが、これは現在のSI秒の実装限界に起因する。
• μ が重力ポテンシャルに与える結合係数は kμ = (-1.9±9.4)×10⁻⁷ と制約され、不確かさ内では顕著な変動は認められなかった。
• μ の時間的変動は (5.3±6.5)×10⁻¹⁷/yr まで制約され、以前の最高限界 (-2±11)×10⁻¹⁷/yr に比べてほぼ2倍の改善が達成された。
• α および Xq の潜在的ドリフトを考慮した分析では、保守的な不確かさ伝搬により Sr 測定の不確かさが 8.2×10⁻¹⁷ まで上昇したが、全体の結果にほとんど影響を及ぼさなかった。
• Yb と Sr クロックからの統合データにより、Yb 測定のみに比べて μ 変動の制約がより厳しくなり、不確かさが1.5倍まで低減された。