[论文解读] Towards Adoption of an Optical Second: Verifying Optical Clocks at the SI Limit

W. F. McGrew, X. Zhang+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2018

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 87被引用 4

一句话总结

该论文报告了迄今为止最精确的 171Yb 1S₀→3P₀ 光学跃迁的绝对频率测量——518,295,836,590,863.71(11) Hz，相对不确定度为 2.1×10⁻¹⁶——实现了在 SI 秒定义不确定度极限下，Cs、Yb 和 Sr 时钟之间的频率环路闭合测试。该测量将电子-质子质量比 μ 的时间变率约束提升至 (5.3±6.5)×10⁻¹⁷/yr，相比先前限制提高了近一倍。

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 $

研究动机与目标

• 在 10⁻¹⁶ 水平上实现 171Yb 1S₀→3P₀ 跃迁的绝对频率测量，以支持以光学跃迁为基础重新定义 SI 秒。
• 通过闭合 Cs-Yb-Sr 频率测量环路，验证绝对频率测量与直接光学比较之间的一致性。
• 约束基本常数（特别是电子-质子质量比 μ）的时间和引力变化。
• 利用多个光学钟的长期数据，提高 μ 和精细结构常数 α 的时间变率限制的精度。

提出的方法

• 通过使用本振振荡器阵列作为飞轮振荡器，将 171Yb 1S₀→3P₀ 跃迁的绝对频率与一台原子铯喷泉钟进行比较，完成测量。
• 测量历时八个月，共 79 次运行，系统不确定度降低至 1.4×10⁻¹⁸，主要来源于黑体辐射和二级塞曼位移。
• 从绝对测量和直接光学比较中推导出频率比，实现了在当前 SI 秒不确定度水平下的环路闭合测试。
• 对统计不确定度和系统不确定度进行了传播，包括引力势变化和基本常数可能的时间漂移的影响。
• 将来自 7 个 Yb 和 17 个重新标定后的 Sr 绝对频率测量的数据，拟合到正弦和线性模型中，以提取 μ 变化的约束。
• 分析中考虑了 Yb-Sr 频率比对 α 和 μ 变化的敏感性，使用已知矩阵元和对 α 与 Xq 的先验约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cs、Yb 和 Sr 光学钟之间的频率比是否能够以足够一致的精度实现环路闭合，达到 10⁻¹⁶ 不确定度水平？
• RQ2 迄今为止，171Yb 1S₀→3P₀ 跃迁的最精确绝对频率测量结果是什么？
• RQ3 长期光学钟测量如何约束电子-质子质量比 μ 的时间变率？
• RQ4 引力势变化在多大程度上影响测量到的频率比？在分析中如何加以校正？
• RQ5 多个光学钟的联合数据是否能够使 μ 时间变率的约束超越先前的限制？

主要发现

• 171Yb 1S₀→3P₀ 跃迁的绝对频率被测量为 518,295,836,590,863.71(11) Hz，相对不确定度为 2.1×10⁻¹⁶，是迄今为止任何原子跃迁中报告的最精确结果。
• 在小于 3×10⁻¹⁶ 的不确定度下，成功实现了 Cs、Yb 和 Sr 频率测量之间的环路闭合，其限制来自当前 SI 秒的实现方式。
• μ 对引力势的耦合系数被约束为 kμ = (-1.9±9.4)×10⁻⁷，表明在不确定度范围内无显著变化。
• μ 的时间变率被约束为 (5.3±6.5)×10⁻¹⁷/yr，相比先前最佳限制 (-2±11)×10⁻¹⁷/yr 提高了近一倍。
• 分析中考虑了 α 和 Xq 的潜在漂移，采用保守的误差传播方式，将 Sr 测量的不确定度提高至 8.2×10⁻¹⁷，但对整体结果影响甚微。
• Yb 和 Sr 时钟的联合数据使 μ 变化的约束比仅使用 Yb 测量结果更严格，不确定性降低了 1.5 倍。