[论文解读] Resolving the gravitational redshift within a millimeter atomic sample

Tobias Bothwell, Colin J. Kennedy+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 36被引用 30

一句话总结

这篇论文展示了在毫米尺度的超冷锶原子样本中测量线性重力红移梯度，实现分数量级频率不确定度优于7.6×10^-21，并强调样本内的重力扰动对未来钟表实验的影响。

ABSTRACT

Einstein's theory of general relativity states that clocks at different gravitational potentials tick at different rates - an effect known as the gravitational redshift. As fundamental probes of space and time, atomic clocks have long served to test this prediction at distance scales from 30 centimeters to thousands of kilometers. Ultimately, clocks will study the union of general relativity and quantum mechanics once they become sensitive to the finite wavefunction of quantum objects oscillating in curved spacetime. Towards this regime, we measure a linear frequency gradient consistent with the gravitational redshift within a single millimeter scale sample of ultracold strontium. Our result is enabled by improving the fractional frequency measurement uncertainty by more than a factor of 10, now reaching 7.6$ imes 10^{-21}$. This heralds a new regime of clock operation necessitating intra-sample corrections for gravitational perturbations.

研究动机与目标

• 在量子系统中激发在亚厘米尺度探测重力红移的研究。
• 在毫米级原子样本中测量与重力红移一致的线性频率梯度。
• 将分数量频率不确定度进一步提高，以揭示样本内对钟的重力效应。

提出的方法

• 利用超冷锶原子在毫米尺度上运行光学钟。
• 以超出约10倍的精度测量分数频率，达到7.6×10^-21。
• 检测样本内指示重力红移的线性频率梯度。
• 分析原子样本内由重力引起的扰动与修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在纯粹的毫米尺度原子样本中分辨出重力红移？
• RQ2 样本内重力红移梯度的量级是多少，是否可以在实验上将其与系统效应区分开？
• RQ3 提高分数量频率不确定度如何影响钟表在样本内进行重力修正的必要性？

主要发现

• 在毫米尺度的超冷锶样本中观测到与重力红移一致的线性频率梯度。
• 分数量频率测量不确定度提升超过10倍，达到7.6×10^-21。
• 该结果表明在未来的小尺度钟的运行中需要样本内的重力扰动修正。