[논문 리뷰] Optical Frequency Trapped Ion Probe for a Varying Proton-to-Electron Mass Ratio

Mark Kokish, Patrick Stollenwerk외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 24.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 실험실에서 변동하는 양성자-전자 질량비 ($\mu$)를 탐색하기 위한 매우 민감한 분자 이온 TeH$^+$를 제안한다. 이는 높은 $\mu$-민감도를 지닌 좁은 선폭의 진동 과도 모드와 대각형 프랑크-콘도인 요인을 갖는 전자 전이를 식별하여, 상태 수명보다 빠른 광학적 상태 준비가 가능하게 하며, 이로 인해 1일 간의 평균에서 통계적 불확도가 $5 \times 10^{-18}$ 수준으로 예측되며, 외부 필드에 의한 체계적 오차는 $1 \times 10^{-18}$ 이하로 유지된다.

ABSTRACT

Molecules with deep potential wells provide optical transitions sensitive to variation in the proton-to-electron mass ratio ($\mu$). Here we propose the molecular ion TeH$^+$ as a favorable candidate for an improved laboratory search for changing $\mu$. We identify narrow-linewidth vibrational overtones in TeH$^+$ with high absolute sensitivity to $\mu$. TeH$^+$ additionally provides electronic transitions with highly diagonal Franck-Condon factors. This allows for the implementation of optical state preparation schemes faster than the spectroscopy state lifetimes, allowing a single-ion spectroscopy experiment to reach the projection-noise limited statistical uncertainty of $5 imes 10^{-18}$ with one day of averaging. In addition, we analyze the extent of Stark and Zeeman systematic shifts. We show that the spectroscopy states within the ground X$_10^+$ electronic manifold are relatively insensitive to external fields, leading to a fractional precision $<$$1 imes 10^{-18}$ using reasonable methods of external field control previously demonstrated in ion trap experiments.

연구 동기 및 목표

• 변동하는 양성자-전자 질량비 ($\mu$)에 대해 높은 민감도를 갖는 분자 이온을 식별하기 위해.
• 외부 필드에 의한 체계적 오차가 최소화되는 광학 스펙트로스코피가 가능한 후보 시스템을 개발하기 위해.
• 빠른 광학적 상태 준비를 통해 단일 이온 실험에서 영구적 불확도에 도달하는 통계적 불확도를 실현하기 위해.

제안 방법

• 양자 화학 계산을 사용하여 TeH$^+$의 진동 과도 모드 중 $\mu$ 변화에 대해 높은 민감도를 갖는 것을 식별하기 위해.
• X$_1^0+$ 기초 전자 만반 내에서 전자 전이 분석을 통해 대각형 프랑크-콘도인 요인이 매우 높은 것을 확인하여, 빠른 광학적 상태 준비가 가능하도록 하기 위해.
• 스택 및 자이만 이완 효과가 스펙트로스코피 상태에 미치는 영향을 모델링하여 외부 필드에 의한 체계적 오차를 평가하기 위해.
• 기존의 이온 트랩 제어 기술을 활용하여 $1 \times 10^{-18}$ 이하의 분수 정밀도를 유지하는 것이 가능함을 보여주기 위해.
• 실제 조건을 고려한 스펙트로스코피 성능을 시뮬레이션하여, 상태 준비 속도와 수명 제약 조건을 반영하기 위해.
• 상태 준비 속도와 상태 수명에 기반하여 1일 간의 평균 후에 도달 가능한 통계적 불확도를 추정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TeH$^+$의 진동 과도 모드는 양성자-전자 질량비 ($\mu$)의 변화에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ2 TeH$^+$의 전자 전이는 상태 수명보다 빠른 광학적 상태 준비를 가능하게 하는가?
• RQ3 외부 전기장 및 자기장에 의해 스펙트로스코피 상태가 얼마나 체계적으로 영향을 받는가?
• RQ4 표준 외부 필드 제어 기술을 사용할 경우 단일 이온 실험에서 TeH$^+$로 달성 가능한 분수 정밀도 수준은 어느 정도인가?
• RQ5 이 시스템을 사용하여 1일 간의 평균에서 도달 가능한 통계적 불확도는 얼마인가?

주요 결과

• TeH$^+$는 양성자-전자 질량비 ($\mu$)의 변화에 대해 높은 절대 민감도를 갖는 좁은 선폭의 진동 과도 모드를 나타낸다.
• TeH$^+$의 X$_1^0+$ 만반 내 전자 전이는 매우 대각형 프랑크-콘도인 요인을 지녀, 스펙트로스코피 상태 수명보다 빠른 광학적 상태 준비가 가능하다.
• 1일 간의 평균 후에 예측되는 통계적 불확도는 $5 \times 10^{-18}$ 수준이며, 이는 오직 투영 노이즈에 의해 제한된다.
• 기초 전자 만반 내의 스펙트로스코피 상태는 외부 필드에 대해 상대적으로 민감도가 낮으며, 합리적인 필드 제어 방법을 사용할 경우 체계적 오차가 $1 \times 10^{-18}$ 이하로 감소된다.
• 높은 $\mu$-민감도, 빠른 상태 준비, 낮은 필드 민감도의 조합으로 인해 TeH$^+$는 향후 세대의 변동하는 $\mu$ 탐색을 위한 유망한 후보이다.