[论文解读] Optical Frequency Trapped Ion Probe for a Varying Proton-to-Electron Mass Ratio

Mark Kokish, Patrick Stollenwerk+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本文提出 TeH$^+$ 作为一种高度敏感的分子离子，用于实验室中对质子与电子质量比 ($\mu$) 变化的搜索。它识别出具有强 $\mu$-敏感性的窄线宽振动态跃迁，以及具有对角 Franck-Condon 因子的电子跃迁，从而实现光学态制备速度超过态寿命，实现一天内投影噪声限制的统计不确定性为 $5 \times 10^{-18}$，且场致系统误差低于 $1 \times 10^{-18}$ 的分数精度。

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.

研究动机与目标

• 识别对质子与电子质量比 ($\mu$) 变化具有高敏感性的分子离子。
• 开发一种候选体系，实现光学光谱测量，且外部场引起的系统误差最小化。
• 通过快速光学态制备，在单离子实验中实现投影噪声限制的统计不确定性。

提出的方法

• 使用量子化学计算，识别 TeH$^+$ 中对 $\mu$-变化具有高敏感性的振动态跃迁。
• 分析 TeH$^+$ 的 X$_1^0+$ 基态电子能级内的电子跃迁，寻找具有高度对角 Franck-Condon 因子的跃迁，以实现快速光学态制备。
• 建模斯塔克效应和塞曼效应的位移对光谱态的影响，以评估场致系统误差。
• 利用已知的离子阱控制技术，证明在分数精度低于 $1 \times 10^{-18}$ 的条件下维持实验可行。
• 在现实条件下模拟光谱性能，包括态制备速率和寿命限制。
• 基于态制备速度和态寿命，估算一天平均后可达到的统计不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 TeH$^+$ 中振动态跃迁对质子与电子质量比 ($\mu$) 变化的敏感度如何？
• RQ2 TeH$^+$ 中的电子跃迁是否能够支持快速光学态制备，且其速度超过光谱态寿命？
• RQ3 TeH$^+$ 中的光谱态在多大程度上容易受到外部电场和磁场引起的系统位移影响？
• RQ4 使用标准场控制技术，在单离子实验中可实现多高的分数精度？
• RQ5 该系统在一天平均后可达到多低的统计不确定性？

主要发现

• TeH$^+$ 展现出窄线宽的振动态跃迁，对质子与电子质量比 ($\mu$) 变化具有高绝对敏感性。
• TeH$^+$ 的 X$_1^0+$ 能级内的电子跃迁具有高度对角的 Franck-Condon 因子，可实现光学态制备速度超过光谱态寿命。
• 该系统在一天平均后实现投影噪声限制的统计不确定性为 $5 \times 10^{-18}$，仅受投影噪声限制。
• 基态电子能级内的光谱态对外部场相对不敏感，通过合理场控制方法，系统误差可降低至低于 $1 \times 10^{-18}$ 的分数精度。
• 高 $\mu$-敏感性、快速态制备与低场敏感性的结合，使 TeH$^+$ 成为下一代实验室中探测可变 $\mu$ 的有前途候选者。