[논문 리뷰] Towards Adoption of an Optical Second: Verifying Optical Clocks at the SI Limit

W. F. McGrew, X. Zhang외 14명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 14.

Advanced Frequency and Time Standards참고 문헌 87인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 현재까지 가장 정밀한 171Yb 1S₀→3P₀ 광학 전이의 절대 주파수 측정을 보고한다—518,295,836,590,863.71(11) Hz이며 분수 불확도는 2.1×10⁻¹⁶이며, 이는 SI 초의 불확도 한계에서 Cs, Yb, Sr 시계 간의 루프 닫힘 테스트를 가능하게 한다. 측정 결과는 전자의 질량 대 수소핵 질량 비율 μ의 시간에 따른 변화를 (5.3±6.5)×10⁻¹⁷/yr 이하로 제약하여 이전 한계에 비해 거의 두 배 향상시켰다.

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 $

연구 동기 및 목표

• 절대 주파수 측정을 10⁻¹⁶ 수준으로 수행하여 광학 전이를 기반으로 한 SI 초의 재정의를 지원한다.
• Cs-Yb-Sr 주파수 측정 루프를 닫음으로써 절대 주파수 측정과 직접적인 광학 비교 간의 일관성을 검증한다.
• 특히 전자의 질량 대 수소핵 질량 비율 μ의 시간적 및 중력적 변화 가능성을 제약한다.
• 다양한 광학 시계에서의 장기 데이터를 활용하여 μ와 구조 상수 α의 시간에 따른 변화에 대한 정밀도를 향상시킨다.

제안 방법

• 마스터 앙상블을 비행기 운용기로 사용하여 171Yb 1S₀→3P₀ 전이의 절대 주파수를 주로 세슘 분수 시계와 비교하여 측정하였다.
• 8개월에 걸쳐 79회의 측정을 수행하였으며, 체계적 불확도는 1.4×10⁻¹⁸ 수준으로 줄였으며, 주로 블랙볼러 복사와 2차 제이만 효과에 기인하였다.
• 절대 측정과 직접적인 광학 비교로부터 유도된 주파수 비율을 이용하여 현재 SI 초의 불확도 수준에서 루프 닫힘 테스트를 수행하였다.
• 통계적 및 체계적 불확도를 전파하였으며, 중력 포텐셜 변화와 기본 상수의 시간적 드리프트 가능성을 포함하였다.
• 7개의 Yb 및 17개의 재스케일링된 Sr 절대 주파수 측정 데이터를 삼각함수 및 선형 모델에 맞추어 μ 변화에 대한 제약을 추출하였다.
• 알려진 행렬 요소와 α 및 Xq에 대한 이전 제약 조건을 사용하여 Yb-Sr 비율이 α 및 μ 변화에 얼마나 민감한지 고려하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cs, Yb, Sr 광학 시계 간의 주파수 비율을 10⁻¹⁶ 수준의 불확도로 충분히 일관성 있게 측정할 수 있는가?
• RQ2 현재까지 가장 정밀한 171Yb 1S₀→3P₀ 전이의 절대 주파수 측정은 무엇인가?
• RQ3 장기적인 광학 시계 측정은 전자의 질량 대 수소핵 질량 비율 μ의 시간에 따른 변화를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 중력 포텐셜 변화는 측정된 주파수 비율에 어떤 영향을 미치며, 분석에서 이를 어떻게 보정할 수 있는가?
• RQ5 다양한 광학 시계의 통합 데이터는 이전 한계를 초월하여 μ의 시간에 따른 변화에 대한 제약을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 171Yb 1S₀→3P₀ 전이의 절대 주파수는 518,295,836,590,863.71(11) Hz로 측정되었으며, 분수 불확도는 2.1×10⁻¹⁶로, 현재까지 보고된 어떤 원자 전이보다도 정밀도가 높다.
• Cs, Yb, Sr 주파수 측정 간의 루프 닫힘은 3×10⁻¹⁶ 미만의 불확도로 달성되었으며, 이는 현재 SI 초의 실현 방식에 의해 제한된다.
• μ가 중력 포텐셜에 미치는 결합 계수는 kμ = (-1.9±9.4)×10⁻⁷로 제약되었으며, 이는 불확도 범위 내에서 유의미한 변화가 없음을 시사한다.
• μ의 시간에 따른 변화는 (5.3±6.5)×10⁻¹⁷/yr 이하로 제약되었으며, 이는 이전 최고 한계인 (-2±11)×10⁻¹⁷/yr에 비해 거의 두 배 향상된 것이다.
• α 및 Xq의 잠재적 드리프트를 고려하여 보수적인 오차 전파를 수행하였으며, 이로 인해 Sr 측정의 불확도가 8.2×10⁻¹⁷로 증가했지만, 전체 결과에 미치는 영향은 미미하였다.
• Yb 및 Sr 시계의 통합 데이터는 Yb 측정만으로 얻은 것보다 μ 변화에 대한 제약을 더 강하게 만들었으며, 불확도를 약 1.5배 감소시켰다.