[论文解读] A terahertz vibrational molecular clock with systematic uncertainty at the $10^{-14}$ level

K. H. Leung, B. Iritani+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 10

一句话总结

该论文展示了一种基于光学晶格中锶二聚分子（Sr₂）的太赫兹振动分子钟，通过拉曼光谱与魔法波长捕获技术，实现了4.6×10⁻¹⁴的系统不确定度。该分子振动跃迁的绝对频率被精确测定为31,825,183,207,592.8(5.1) Hz，实现了对解离能的创纪录精度测定，并在太赫兹频段建立了分子频率标准的新基准。

ABSTRACT

Neutral quantum absorbers in optical lattices have emerged as a leading platform for achieving clocks with exquisite spectroscopic resolution. However, the studies of these clocks and their systematic shifts have so far been limited to atoms. Here, we extend this architecture to an ensemble of diatomic molecules and experimentally realize an accurate lattice clock based on pure molecular vibration. We evaluate the leading systematics, including the characterization of nonlinear trap-induced light shifts, achieving a total systematic uncertainty of $4.6 imes10^{-14}$. The absolute frequency of the vibrational splitting is measured to be 31 825 183 207 592.8(5.1) Hz, enabling the dissociation energy of our molecule to be determined with record accuracy. Our results represent an important milestone in molecular spectroscopy and THz-frequency standards, and may be generalized to other neutral molecular species with applications for fundamental physics, including tests of molecular quantum electrodynamics and the search for new interactions.

研究动机与目标

• 将光学晶格钟技术从原子拓展至中性双原子分子，特别是Sr₂，以实现高精度振动光谱测量。
• 在分子振动钟中实现低于10⁻¹³的系统不确定度，这是计量应用的关键阈值。
• 以前所未有的精度测量Sr₂中纯振动跃迁的绝对频率，从而精确确定分子势能参数。
• 证明分子体系可实现与原子光学晶格钟相当的性能，为量子计量学开辟新途径。

提出的方法

• 该钟利用Sr₂分子X¹Σg⁺基态中(v=62, J=0)与(v=0, J=0)振动态之间的双光子拉曼跃迁作为钟跃迁。
• 通过在魔法波长下形成一维光学晶格，将分子捕获，以最小化钟态之间的差分光移。
• 利用频率梳与光纤系统对拉曼激光进行相位锁定，并采用主动噪声抑制技术以维持相干性。
• 通过吸收成像探测激发态光解离产物来探测钟跃迁，信号读出采用倾斜角度采集。
• 采用铷微波标准作为飞轮振荡器，与GPS时间同步，通过时间间隔计数实现绝对频率测量。
• 通过校准铷钟相对于GPS的时间偏移，利用详细模型对系统频移（包括非线性阱诱导光移）进行表征并加以校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在中性双原子分子中实现系统不确定度达到10⁻¹⁴量级的分子振动跃迁钟？
• RQ2 分子振动晶格钟中的主要系统效应是什么？能否将其表征并抑制至10⁻¹⁴以下？
• RQ3 能否以足够高的精度测量分子振动跃迁的绝对频率，从而以创纪录的精度确定分子的解离能？
• RQ4 光学晶格钟架构在多大程度上可推广至其他中性分子体系，以服务于基础物理与计量学研究？

主要发现

• 该振动分子钟的总系统不确定度测量值为4.6×10⁻¹⁴，与早期光学原子晶格钟相当。
• Sr₂中振动跃迁的绝对频率被确定为31,825,183,207,592.8(5.1) Hz，相对不确定度为1.6×10⁻¹⁵。
• ⁸⁸Sr₂的解离能测定精度超越了此前双原子分子的记录，为改进分子量子电动力学检验提供了支持。
• 非线性阱诱导光移已得到表征与校正，其主导贡献为系统不确定度的主要来源。
• 该钟实现11(1) Hz的线宽，展示了高光谱分辨率与长相干时间。
• 该方法通过GPS时间传递与稳定飞轮振荡器实现绝对频率测量，经独立铷钟比对与时间间隔计数验证。