[论文解读] Absolute frequency measurement of 1S0 (F = 1/2) - 3P0 (F = 1/2) transition of 171Yb atoms in a one-dimensional optical lattice at KRISS

Chang Yong Park, Dai-Hyuk Yu+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2011

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究在KRISS的171Yb原子一维光晶格中实现了1S₀(F = 1/2)–3P₀(F = 1/2)跃迁的绝对频率测量，通过将光频梳与可追溯至世界时（TT）的H-原子钟锁相，测得频率值为518,295,836,590,863.5(8.1) Hz。魔幻波长测量值为394,798.48(79) GHz，结果与先前测量高度一致，推动了光学钟的精度与稳定性提升。

ABSTRACT

We measured the absolute frequency of the optical clock transition 1S0 (F = 1/2) - 3P0 (F = 1/2) of 171Yb atoms confined in a one-dimensional optical lattice and it was determined to be 518 295 836 590 863.5(8.1) Hz. The frequency was measured against Terrestrial Time (TT; the SI second on the geoid) by using an optical frequency comb of which the frequency was phase-locked to an H-maser as a flywheel oscillator traceable to TT. The magic wavelength was also measured as 394 798.48(79) GHz. The results are in good agreement with two previous measurements of other institutes within the specified uncertainty of this work.

研究动机与目标

• 使用一维光晶格实现171Yb原子1S₀(F = 1/2)–3P₀(F = 1/2)跃迁的高精度绝对频率测量。
• 以高精度确定171Yb钟跃迁在晶格势场中的魔幻波长。
• 通过光频梳与H-原子钟的相位锁定，建立可追溯至世界时（TT）的频率参考。
• 与其它机构的先前结果进行比对，验证测量结果的一致性与可靠性。
• 为下一代光学原子钟的发展做出贡献，提升其稳定性和精度。

提出的方法

• 将171Yb原子限制在一维光晶格中，以最小化外部扰动并实现魔幻波长条件。
• 利用光频梳将光学跃迁频率桥接至微波频率，实现精确测量。
• 光频梳的重复频率被相位锁定至H-原子钟，该原子钟作为可追溯至世界时（TT）的飞轮振荡器。
• 通过将光学跃迁频率与校准后的光频梳输出进行比较，实现绝对频率测量，并通过系统误差分析进行不确定度预算。
• 通过测量晶格强度变化引起的钟跃迁频率漂移，并与理论模型拟合，确定魔幻波长。
• 所有测量均参照地球表面的国际单位秒（SI秒），确保与国际时间标准的可追溯性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当171Yb原子被限制在一维光晶格中时，1S₀(F = 1/2)–3P₀(F = 1/2)跃迁的绝对频率是多少？
• RQ2 该晶格配置下171Yb钟跃迁的精确魔幻波长值是多少？
• RQ3 在不确定度范围内，本测量结果与其它机构先前测量结果的比较如何？
• RQ4 通过光频梳与H-原子钟相位锁定，频率测量在多大程度上可追溯至世界时（TT）？
• RQ5 影响频率测量的系统误差有哪些？它们如何被最小化并量化？

主要发现

• 171Yb原子1S₀(F = 1/2)–3P₀(F = 1/2)跃迁的绝对频率测量值为518,295,836,590,863.5(8.1) Hz，相对不确定度约为1.5 × 10⁻¹⁵。
• 171Yb钟跃迁的魔幻波长确定为394,798.48(79) GHz，证实晶格势场可有效抵消差分光频移。
• 测量结果与另外两家机构的先前测量结果高度一致，验证了KRISS结果的准确性和可重复性。
• 通过将光频梳与H-原子钟相位锁定，成功实现频率对世界时（TT）的可追溯性，确保与国际时间标准的一致性。
• 系统不确定度经过仔细评估，主要来源于H-原子钟的稳定性和光频梳的校准。
• 结果表明，使用171Yb原子的一维光晶格作为高精度光学频率标准在未来的计时与基础物理检验中具有可行性。