[논문 리뷰] Resolving the gravitational redshift within a millimeter atomic sample

Tobias Bothwell, Colin J. Kennedy외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 24.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 36인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터 규모의 초저온 스트론튬 원자 샘플 내에서 선형 중력적 적색편이 기울기를 측정하는 것을 보여주며, 분수 주파수 불확실성을 7.6×10^-21보다 더 좋게 달성하고 샘플 내부의 중력 교란이 향후 시계 실험에서 주의될 수 있음을 강조합니다.

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$ imes 10^{-21}$. This heralds a new regime of clock operation necessitating intra-sample corrections for gravitational perturbations.

연구 동기 및 목표

• 양자 시스템 내에서 서브 센티미터 규모에서의 중력적 적색편이 탐구에 동기를 부여한다.
• 밀리미미터 규모의 원자 샘플에서 중력적 적색편이와 일치하는 선형 주파수 기울기를 측정한다.
• 샘플 내부의 중력 효과를 시계에 드러내기 위해 분수 주파수 불확실성을 개선한다.

제안 방법

• 밀리미터 스케일의 광학 시계를 작동시키기 위해 초저온 스트론튄 원자를 사용한다.
• 정밀도를 크게 향상시켜(10배 이상) 분수 주파수를 7.6×10^-21로 측정한다.
• 샘플 내에서 중력적 적색편을 시사하는 선형 주파수 기울기를 검출한다.
• 원자 샘플 내부의 중력에 의한 섭동 및 보정을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수하게 밀리미터 규모의 원자 샘플 내에서 중력적 적색편이를 해상할 수 있는가?
• RQ2 샘플 내부의 중력적 적색편이 기울기의 크기는 어느 정도이며, 그것이 실험적으로 체계적 효과로부터 구별될 수 있는가?
• RQ3 분수 주파수 불확실성의 개선이 시계 내 샘플 내부 중력 보정 필요성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 밀리미터 규모의 초저온 스트론튄 샘플 내에서 중력적 적색편이와 일치하는 선형 주파수 기울기가 관찰되었다.
• 분수 주파수 측정 불확실성이 10배 이상 개선되어 7.6×10^-21에 도달했다.
• 이 결과는 작은 규모의 향후 시계 작동에서 샘플 내 중력 섭동에 대한 보정의 필요성을 시사한다.