[论文解读] Spin-1/2 Optical Lattice Clock

N. Lemke, Andrew D. Ludlow+8 more|ArXiv.org|Jun 5, 2009

Advanced Frequency and Time Standards被引用 15

一句话总结

该论文展示了一种高精度的自旋1/2 171Yb光学晶格钟，其频率不确定度为3.4×10⁻¹⁶，通过最小化黑体辐射移位和碰撞移位等系统性移位实现。该钟利用一维光学晶格中的超冷自旋极化费米子，测量578 nm波长的1S₀→³P₀跃迁，测得的绝对频率为518,295,836,590,865.2(0.7) Hz，相对于NIST-F1铯喷泉钟具有高精度。

ABSTRACT

We experimentally investigate an optical clock based on $^{171}$Yb ($I=1/2$) atoms confined in an optical lattice. We have evaluated all known frequency shifts to the clock transition, including a density-dependent collision shift, with a fractional uncertainty of $3.4 imes 10^{-16}$, limited principally by uncertainty in the blackbody radiation Stark shift. We measured the absolute clock transition frequency relative to the NIST-F1 Cs fountain clock and find the frequency to be 518 295 836 590 865.2(0.7) Hz.

研究动机与目标

• 开发基于171Yb同位素（核自旋I=1/2）的高精度光学频率标准。
• 评估并最小化晶格束缚费米子系统中所有已知的系统性频率移位。
• 展示自旋1/2体系相较于更高自旋同位素在光学晶格钟中的优势，包括更简单的态制备和无张量光移位。
• 实现与最佳光学和微波标准相当的频率稳定性和精度。
• 利用飞秒激光频率梳高精度测量绝对钟跃迁频率。

提出的方法

• 通过399 nm的1S₀→1P₁和556 nm的1S₀→3P₁跃迁捕获并冷却171Yb原子，制备简并的超冷样品。
• 将原子装载入深度为500 E_r的一维水平光学晶格中，实现约10¹¹ cm⁻³的密度和15 μK的温度。
• 利用556 nm光以99%的效率将原子光学泵浦至单一自旋子能级（m_F = ±1/2），实现自旋极化多体态制备。
• 使用80 ms的π脉冲对578 nm的1S₀→³P₀钟跃迁进行光谱测量，探测光预先稳定至高精细度腔。
• 施加微弱磁场（0.11 mT）以分辨塞曼分裂的能级，并采用差分测量方案抵消一阶塞曼移位。
• 利用飞秒激光频率梳将Yb钟频率与NIST-F1铯喷泉钟进行比对，实现高精度绝对频率测量，并实现系统不确定度的抵消。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于自旋1/2费米同位素的171Yb光学晶格钟能否实现与现有光学钟相当的精度和稳定性？
• RQ2 在自旋1/2光学晶格钟中，主要的系统性频率移位是什么？能否有效校准或抑制？
• RQ3 超冷自旋极化费米子如何影响171Yb体系中的密度依赖性碰撞移位？
• RQ4 1S₀→³P₀跃迁的矢量极化率能否被测量，并用于未来更高维晶格结构中的移位抵消？
• RQ5 171Yb 1S₀→³P₀钟跃迁的绝对频率是多少？与NIST-F1铯主标准相比如何？

主要发现

• 171Yb光学晶格钟的总相对不确定度达到3.4×10⁻¹⁶，主要受限于黑体辐射斯塔克移位的不确定度。
• 1S₀→³P₀跃迁的绝对频率测量值为518,295,836,590,865.2(0.7) Hz，统计不确定度为1.4×10⁻¹⁵。
• 观测到密度依赖性碰撞移位为-16.1×10⁻¹⁶，即使在自旋极化费米子条件下仍存在，表明泡利不相容原理在此构型中未能完全抑制移位。
• 钟跃迁的矢量极化率测量值为α_v ≈ -0.08 a.u.，为未来在更高维晶格中实现移位抵消提供了关键参数。
• 由于极化率测量存在10%的不确定度，黑体辐射斯塔克移位的不确定度为2.5×10⁻¹⁶，凸显了室温运行下的主要限制。
• 该钟表现出10¹⁴的品质因数，160 ms探测时间内的傅里叶极限线宽为5.5 Hz（FWHM），表明具有高相干性和稳定性。