[论文解读] Blackbody radiation shift of the 27Al+ 1S0 - 3P0 transition

T. Rosenband, Wayne M. Itano+5 more|ArXiv.org|Nov 14, 2006

Advanced Frequency and Time Standards被引用 9

一句话总结

本论文通过在1126 nm处测量近红外斯塔克位移，测定了²⁷Al⁺ ¹S₀ → ³P₀时钟跃迁的差分极化率，从而实现了对黑体辐射位移的精确测定。由此得到的室温下黑体位移为Δν/ν = −8(3)×10⁻¹⁸，为目前已知任何原子跃迁中最低的值，显著降低了光学频率标准的系统不确定性。

ABSTRACT

The differential polarizability, due to near-infrared light at 1126 nm, of the 27Al+ 1S0 -> 3P0 clock transition is measured to be 4πε_0 x (1.6 +/- 0.5) x 10^{-31} m^3. This measurement is combined with experimental oscillator strengths to extrapolate the differential static polarizability of the clock transition as 4πε_0 x (1.5 +/- 0.5) x 10^{-31} m^3. The resulting room temperature blackbody fractional frequency shift of -8(3) x 10^{-18} is the lowest known shift of all atomic transitions under consideration for optical frequency standards. A method is presented to estimate the differential static polarizability of an optical transition, from a differential light shift measurement.

研究动机与目标

• 以小于10⁻¹⁷的分数不确定度，测定²⁷Al⁺ ¹S₀ → ³P₀光学时钟跃迁的黑体辐射位移。
• 通过在1126 nm处测量差分极化率，而非仅依赖偶极矩强度外推，降低黑体位移估计的不确定性。
• 展示一种从差分光位移测量中估算差分静态极化率的方法。
• 表明²⁷Al⁺仅需对室温背景有5 K以内的知识即可实现系统控制，而无需像其他离子那样采用低温操作。

提出的方法

• 使用600 mW光纤激光器，在离子阱中对单个²⁷Al⁺离子施加已知光强，测量1126 nm处的差分极化率Δα(ω)。
• 利用稳定的ULE腔锁定激光频率，并高精度测量时钟跃迁的斯塔克位移。
• 应用关系式Δα(0) ≈ Δα(ω) × (1 + δ² + δ³) 从1126 nm测量值外推差分静态极化率，其中δ = ω / ωᵢ。
• 将测得的Δα(0)与黑体辐射谱结合，利用积分公式Δν = −1/(4ε₀π³c³) ∫₀^∞ Δα(ω) ω³ / (e^{ℏω/kBT} − 1) dω 计算黑体位移。
• 使用NIST原子光谱数据库和Opacity Project提供的偶极矩强度，估算初始Δα(0)以供比较。
• 对偶极矩强度施加保守的不确定度（最高达20%），并在1126 nm测量中增加1%的分数不确定度，以界定最终不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 ²⁷Al⁺ ¹S₀ → ³P₀时钟跃迁的差分静态极化率Δα(0)是多少？如何以更低的不确定度进行测量？
• RQ2 ²⁷Al⁺时钟跃迁的黑体辐射位移与当前用于或拟用于光学频率标准的其他原子体系相比如何？
• RQ3 尽管无法直接获取10 μm辐射，能否利用1126 nm处的差分光位移测量准确估算室温下的黑体位移？
• RQ4 为使²⁷Al⁺频率标准的总系统不确定度低于10⁻¹⁸，对室温背景的温度稳定性要求达到何种水平？

主要发现

• 在1126 nm处测得的差分极化率为Δα = 4πε₀ × (1.6 ± 0.5) × 10⁻³¹ m³。
• 外推得到的差分静态极化率为Δα(0) = 4πε₀ × (1.5 ± 0.5) × 10⁻³¹ m³。
• 由此得到的室温下黑体位移为Δν/ν = −8(3) × 10⁻¹⁸，为目前已知任何原子跃迁中最低的值。
• 黑体位移的不确定度主要由1126 nm激光的功率稳定性决定，而非偶极矩强度的不确定度。
• ²⁷Al⁺离子仅需对室温黑体背景有5 K以内的知识，即可实现低于10⁻¹⁸的系统不确定度。
• 与¹⁹⁹Hg⁺等其他离子相比，²⁷Al⁺由于其极小的黑体位移，可避免低温操作。