[论文解读] Frequency Ratio of ${}^{199}$Hg and ${}^{87}$Sr Optical Lattice Clocks beyond the SI Limit

K. Yamanaka, Noriaki Ohmae+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2015

Advanced Frequency and Time Standards被引用 11

一句话总结

该论文报告了199Hg与87Sr光晶格钟之间频率比的测量，其分数不确定度为8.4×10⁻¹⁷，超越了SI秒的不确定度极限。通过精确表征晶格光移——包括多极极化率——Hg钟的总系统不确定度达到7.2×10⁻¹⁷，从而实现了对基础物理的高精度检验，包括精细结构常数的恒定性检验。

ABSTRACT

We report on a frequency ratio measurement of a ${}^{199}$Hg-based optical lattice clock referencing a ${}^{87}$Sr-based clock. Evaluations of lattice light shift, including atomic-motion-dependent shift, enable us to achieve a total systematic uncertainty of $7.2 imes 10^{-17}$ for the Hg clock. The frequency ratio is measured to be $ν_{ m Hg}/ν_{ m Sr}=2.629\, 314\, 209\, 898\, 909\, 60(22)$ with a fractional uncertainty of $8.4 imes 10^{-17}$, which is smaller than the uncertainty of the realization of the SI second, i.e., the SI limit.

研究动机与目标

• 实现199Hg与87Sr光晶格钟之间频率比的测量，其不确定度低于SI秒的不确定度极限。
• 将199Hg光晶格钟的系统不确定度降低至10⁻¹⁶以下，特别是晶格光移的影响。
• 利用Hg作为对α高度敏感的探针，实现对精细结构常数α恒定性的高精度检验。
• 验证Sr钟作为长期频率比较中α无关锚点的适用性。

提出的方法

• 在363 nm的魔法波长下运行199Hg光晶格钟，原子通过254 nm的1S₀–3P₁跃迁实现激光冷却。
• 原子被装载入一维光晶格，阱深为65 E_R，随后通过振动态冷却以减少加热效应。
• 利用光频梳将266 nm的1S₀–3P₀钟跃迁激光与Sr钟激光进行频率参考，实现探测。
• 通过多极极化率（包括高阶贡献）评估晶格光移，以校正系统性频移。
• 通过1.5 s周期的同步比较，多次测量频率比ν_Hg/ν_Sr。
• 通过温度、磁场、重力以及Dick效应限制的噪声分析评估系统不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 199Hg与87Sr光晶格钟之间的频率比能否以低于SI秒不确定度极限的不确定度进行测量？
• RQ2 多极极化率如何影响Hg钟的晶格光移？能否通过精确建模来降低系统不确定度？
• RQ3 当以CIPM推荐的87Sr频率为参考时，199Hg 1S₀–3P₀跃迁的绝对频率是多少？
• RQ4 通过全面校正晶格诱导频移，能否将Hg钟的系统不确定度降低至7.2×10⁻¹⁷？
• RQ5 该频率比测量在检验精细结构常数α时间变异性方面具有何种潜力？

主要发现

• 频率比ν_Hg/ν_Sr的测量结果为2.629 314 209 898 909 60(22)，分数不确定度为8.4×10⁻¹⁷，超越了SI秒的不确定度极限。
• 通过详细建模多极极化率和晶格光移，199Hg光晶格钟实现了总系统不确定度7.2×10⁻¹⁷。
• 基于CIPM推荐的87Sr频率，199Hg钟跃迁的绝对频率确定为1 128 575 290 808 155.4(1.1) Hz。
• 该测量结果在1σ不确定度范围内与LNE-SYRTE小组的结果一致，验证了跨实验室的可重复性。
• 频率比测量的不稳定度达到3×10⁻¹⁵/√τ，受限于Dick效应，而量子投影噪声仅贡献4×10⁻¹⁶/√τ。
• 该结果为未来检验精细结构常数α的恒定性提供了可能，预计灵敏度为Δα/α ≈ 0.8Δν/ν_Hg，在一年内可达到10⁻¹⁷量级的灵敏度。