[论文解读] Frequency comparisons and absolute frequency measurements of 171Yb+ single-ion optical frequency standards

E. Peik, B. Lipphardt+4 more|ArXiv.org|Apr 14, 2005

Advanced Frequency and Time Standards被引用 11

一句话总结

本文利用保罗阱中激光冷却的单个 171Yb+ 离子，实现了高精度的频率比较和绝对频率测量。通过将两个独立的 171Yb+ 系统稳定在 436 nm 电四极跃迁上，作者实现了在 1000 秒时相对不稳定度为 5×10⁻¹⁶，从而能够分辨亚赫兹量级的系统频移。关键结果是对精细结构常数时间变化的严格限制：∂α/∂t = (−0.3 ± 2.0)×10⁻¹⁵ yr⁻¹，这是迄今为止原子钟比较所获得的最紧约束。

ABSTRACT

We describe experiments with an optical frequency standard based on a laser cooled $^{171}$Yb$^+$ ion confined in a radiofrequency Paul trap. The electric-quadrupole transition from the $^2S_{1/2}(F=0)$ ground state to the $^2D_{3/2}(F=2)$ state at the wavelength of 436 nm is used as the reference transition. In order to compare two $^{171}$Yb$^+$ standards, separate frequency servo systems are employed to stabilize two probe laser frequencies to the reference transition line centers of two independently stored ions. The experimental results indicate a relative instability (Allan standard deviation) of the optical frequency difference between the two systems of $σ_y(1000 { m s})=5\cdot 10^{-16}$ only, so that shifts in the sub-hertz range can be resolved. Shifts of several hertz are observed if a stationary electric field gradient is superimposed on the radiofrequency trap field. The absolute optical transition frequency of Yb$^+$ at 688 THz was measured with a cesium atomic clock at two times separated by 2.8 years. A temporal variation of this frequency can be excluded within a $1σ$ relative uncertainty of $4.4\cdot 10^{-15}$ yr$^{-1}$. Combined with recently published values for the constancy of other transition frequencies this measurement provides a limit on the present variability of the fine structure constant $α$ at the level of $2.0\cdot 10^{-15}$ yr$^{-1}$.

研究动机与目标

• 通过两个独立捕获的离子评估 171Yb+ 光学频率标准的稳定性与系统频移。
• 利用铯喷泉钟测量 436 nm 2S₁/₂(F=0)→2D₃/₂(F=2) 跃迁的绝对频率。
• 通过结合 171Yb+、199Hg+ 和原子氢跃迁的数据，检验精细结构常数 α 的恒定性。
• 利用多种原子系统，提供对 α 时间变化和里德伯频率的模型无关约束。

提出的方法

• 使用 370 nm 和 935 nm 激光将两个 171Yb+ 离子激光冷却并分别限制在保罗阱中。
• 使用波长为 871 nm 的二极管激光进行频率倍频，以探测 436 nm 参考跃迁，通过交替探测脉冲和激发概率差反馈实现对线心的稳定。
• 独立的频率伺服系统将两个探测激光分别稳定到两个独立离子的线心，实现直接的频率比较。
• 在 2.8 年的时间间隔内，相对于铯喷泉钟测量绝对光学频率，以评估长期稳定性。
• 通过施加阱中的静态电场梯度评估系统频移，观察到亚赫兹量级的频率偏移。
• 通过加权线性回归将 171Yb+、199Hg+ 和氢 1S→2S 跃迁的数据结合，以约束 ∂α/∂t 和 ∂Ry/∂t。

实验结果

研究问题

• RQ1 当比较两个独立捕获的离子时，171Yb+ 光学频率标准的短期稳定性如何？
• RQ2 电场梯度等系统频移如何影响 171Yb+ 跃迁频率？
• RQ3 171Yb+ 中 436 nm 2S₁/₂(F=0)→2D₃/₂(F=2) 跃迁的绝对频率相对于铯钟是多少？
• RQ4 基于光学频率比较，对精细结构常数 α 时间变化的最紧约束是什么？
• RQ5 从组合的原子钟数据中，对里德伯频率漂移率的约束是什么？

主要发现

• 两个 171Yb+ 标准之间频率差的相对不稳定度为 σy(1000 s) = 5×10⁻¹⁶，能够分辨亚赫兹量级的频移。
• 静态电场梯度引起数赫兹的频率偏移，证实了对外部电场的敏感性。
• 171Yb+ 在 688 THz 的绝对光学跃迁频率在 2.8 年内无明显漂移，1σ 不确定度为 4.4×10⁻¹⁵ yr⁻¹。
• 将 171Yb+ 数据与已发表的 199Hg+ 和氢 1S→2S 测量结果结合，得到 α 时间变化的限制：∂α/∂t = (−0.3 ± 2.0)×10⁻¹⁵ yr⁻¹（95% 置信水平）。
• 该分析还约束了里德伯频率的漂移率：∂Ry/∂t = (−1.6 ± 3.2)×10⁻¹⁵ yr⁻¹，与零一致。
• 在假设宇宙时标下线性演化的情况下，对 α 变化的联合约束接近类星体观测的灵敏度，相差约三倍。