[論文レビュー] Spin-1/2 Optical Lattice Clock

N. Lemke, Andrew D. Ludlow+8 more|ArXiv.org|Jun 5, 2009

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 15

ひとこと要約

本論文では、黒体放射および衝突シフトを最小限に抑えることで、3.4×10⁻¹⁶の分数周波数不確かさを達成した高精度なスピン1/2 171Yb光学格子時計を提示する。この時計は、1次元光学格子に閉じ込められた超低温でスピン極化されたフェルミ粒子を用い、578 nmの1S₀→³P₀遷移を測定し、NIST-F1セシウムフォンテン時計に対して絶対周波数518,295,836,590,865.2(0.7) Hzを達成した。

ABSTRACT

We experimentally investigate an optical clock based on $^{171}$Yb ($I=1/2$) atoms confined in an optical lattice. We have evaluated all known frequency shifts to the clock transition, including a density-dependent collision shift, with a fractional uncertainty of $3.4 imes 10^{-16}$, limited principally by uncertainty in the blackbody radiation Stark shift. We measured the absolute clock transition frequency relative to the NIST-F1 Cs fountain clock and find the frequency to be 518 295 836 590 865.2(0.7) Hz.

研究の動機と目的

• 核スピンI=1/2を有する171Yb同位体に基づく高精度光学周波数標準の開発を目的とする。
• 格子に閉じ込められたフェルミオン系における既知のすべての系統的周波数シフトを評価し、最小限に抑えること。
• スピン1/2系が高スピン同位体よりも光学格子時計において優位であることを示し、状態準備が単純でテンソル光シフトが存在しないことの利点を明らかにすること。
• 最高の光学およびマイクロ波標準と同等の周波数安定性および精度を達成すること。
• フェムト秒レーザー周波数コンブを用いて、絶対周波数を高精度に測定すること。

提案手法

• 399 nmの1S₀→1P₁および556 nmの1S₀→3P₁遷移を用いて、171Yb原子を捕らえ冷却し、デゲネレートで超低温の状態を準備する。
• 500 E_rの深さを有する1次元で水平に配向した光学格子に原子をロードし、密度を約10¹¹ cm⁻³、温度を15 μKに達成する。
• 556 nm光を用いて99%の効率で原子を単一のスピン準位（m_F = ±1/2）に光学ポンプし、スピン極化された多体状態の準備を可能にする。
• 80 msのπパルスを用いて、578 nmの1S₀→³P₀時計遷移の分光測定を実施し、事前に高ファインネスのキャビティに安定化されたプローブ光を用いる。
• ゼーマン分裂遷移を解像するために微小な磁場（0.11 mT）を印加し、一次ゼーマンシフトをキャンセルするための差分測定方式を採用する。
• フェムト秒レーザー周波数コンブを用いて、Yb時計周波数とNIST-F1セシウムフォンテン時計を比較し、高精度な絶対周波数測定と系統的不確かさのキャンセレーションを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン1/2フェルミオン同位体に基づく171Yb光学格子時計は、既存の光学時計と同等の精度と安定性を達成できるか？
• RQ2 スピン1/2光学格子時計における主要な系統的周波数シフトは何か？また、それらは効果的に補正または抑制可能か？
• RQ3 超低温でスピン極化されたフェルミ粒子を用いることで、171Yb系における密度依存性衝突シフトにどのような影響が生じるか？
• RQ4 1S₀→³P₀遷移のベクトル極性率を測定し、将来的な高次元格子幾何構造におけるシフトキャンセレーションに活用できるか？
• RQ5 171Ybの1S₀→³P₀時計遷移の絶対周波数は何か？また、NIST-F1セシウム一次標準と比較するとどうなるか？

主な発見

• 171Yb光学格子時計は、合計で3.4×10⁻¹⁶の分数不確かさを達成した。主な制限要因は、黒体放射スターリングシフトの不確かさであった。
• 1S₀→³P₀遷移の絶対周波数は518,295,836,590,865.2(0.7) Hzと測定され、統計的不確かさは1.4×10⁻¹⁵であった。
• 密度依存性衝突シフトとして-16.1×10⁻¹⁶の値が観測され、スピン極化フェルミオンであっても依然として残存していた。これは、パウリの排他原理がこの配置では完全にシフトを抑制しないことを示している。
• 時計遷移のベクトル極性率はα_v ≈ -0.08 a.u.と測定され、将来的な高次元格子におけるシフトキャンセレーションのための重要なパrameterとなった。
• 黒体放射スターリングシフトの不確かさは、極性率測定の10%の不確かさに起因し2.5×10⁻¹⁶であった。これは、室温下での運用において主要な制限要因であることを示している。
• 時計は10¹⁴の品質因子を示し、160 msのプローブ時間でフォーリエ制限幅5.5 Hz（FWHM）を達成した。これは、高いコhereneyおよび安定性を示している。