- 世界上首次测量了高达 12 位数字的直接激发绝对频率，以实现镱原子中的新时钟跃迁
- 通过与现有时钟转换同时操作来提高光学晶格时钟的精度
- 更精确的光谱学开辟了新的途径，例如精细结构常数的时间变化和寻找暗物质
我们的目标是通过比较镱原子 (Yb) 的现有时钟跃迁和新时钟跃迁来提高光学晶格时钟的精度，并为修订秒的定义做出贡献。
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部时间标准研究组研究员川崎英夫、小林拓海首席研究员、西山明子研究员、田边雄彦研究组随员、安田雅美研究组组长镱原子的波长为431 nm时钟转换的直接激发并在世界上首次测量了其频率的绝对值。镱原子有另一个时钟跃迁，其频率的绝对值已知，光格子钟雕刻的时间频率的标准。通过将新测量的绝对频率的时钟跃迁合并到光学晶格时钟中，可以抑制由于环境干扰而导致的时间标准的波动，并有助于提高精度。
时钟跳变的谐振频率范围非常窄，不到1 mHz，为了通过实验观察时钟跳变，需要在1 GHz或更高的频率范围内搜索，这就像“在沙漠中寻找一根针”一样困难。知道该频率的绝对值是其他人观察时钟跳变的有力线索，因为它可以让他们知道指针位置的坐标。通过测量和发布新时钟跃迁频率的绝对值，世界各地的光学晶格时钟开发人员将能够轻松观察和利用这种时钟跃迁。因此，提高光学晶格钟精度的研究正在世界范围内取得进展，重新定义秒的努力预计将加速。
此观测的详细信息将于 2023 年 6 月 15 日（东部夏令时间）公布物理审查A发表在杂志上。
国际单位制（SI）中当前的时间单位“秒”是通过基于微波频率的铯原子钟实现的。另一方面，日本发明的基于光频率的光学晶格钟，尤其是使用镱原子的镱光学晶格钟，其精度比铯原子钟高两个数量级，被认为是重新定义秒的有希望的候选者。
该镱光学晶格时钟中使用的578 nm波长时钟跃迁不易受到电磁场和温度等环境干扰，使其适合实现高度稳定的频率标准。然而，近年来，随着过渡频率测量精度的提高，人们已经清楚地发现，温度等环境的微小变化都会影响过渡频率的测量值。这对镱光学晶格钟的长期运行提出了重大挑战。解决这个问题的一种方法是精确测量另一个对环境变化高度敏感的跃迁频率，从而可以补偿环境干扰的影响。最近直接观察到的波长为 431 nm 的新时钟跃迁（参考文献 1）已知很容易受到环境干扰的影响，因此它的使用被视为解决该问题的一个有希望的解决方案。因此，世界各地的镱光学晶格时钟开发人员一直在寻求新时钟跃迁的精确频率测量。
AIST 开发了一种利用波长 578 nm 时钟跃迁的镱光学晶格时钟，并已以超过 80% 的运行率（世界最高）运行了几个月。使用该光学晶格钟作为频率标准（NMIJ-Yb1），国际原子时 (TAI)的校对工作3年多了。 (2020 年 11 月 3 日 AIST 新闻稿)
为了进一步提高该光学晶格时钟的精度，我们一直致力于测量 431 nm 波长下时钟跃迁的绝对频率。
本研究由 JSPS KAKENHI 研究活动启动支持 (FY2021-2022) (21K20359)、基础研究 B (FY2022-2024) (22H01161)、基础研究 C (FY2022-2024) (22K049) 42) 提供支持， JST新兴研究支援项目（2022-2028财年）（JPMJFR212S）、JST未来社会创建项目（2018-2027财年）（JPMJMI18A1）以及光子科学技术研究基金会（2022-2023财年）。
自然界中有 7 种镱稳定同位素产业技术研究院开发的镱光学晶格钟就是其中之一，镱171原子（171Yb) 波长 578 nm 处的时钟跃迁精密光谱这是通过10768_10948|实现的，并用作频率标准 (NMIJ-Yb1)。为了激发同一镱171原子的431 nm时钟跃迁，我们开发了一种波长为431 nm的新型激光器，其频率已使用独特开发的稳频系统稳定，其线宽已缩小至约1 Hz。这个激光和时间频率都是国家标准UTC(NMIJ)和光com，我们构建了一个可以测量其频率绝对值的系统。
为了寻找时钟跃迁，用激光冷却并捕获到30μK极低温度的镱171原子，用上述稳定激发激光照射，并检测到激发的原子。通过仔细观察与激发原子数量相对应的信号变化并改变激发激光的频率，我们成功测量了波长为431 nm的时钟跃迁的绝对频率。图 1 显示了精确确定绝对频率的详细光谱测量结果。信号大的区域是激发激光频率和原子跃迁频率匹配的区域。根据电子旋转运动的方向，该跃迁的激发态具有多个子结构，并且四个峰对应于子结构。通过将获得的光谱形状与理论曲线进行拟合，并找到四个峰值的平均值作为中心频率，我们确定了波长为 431 nm 时时钟跃迁的绝对频率。这是世界上首次精确测量基态原子在431 nm波长下直接激发到目标激发态进行时钟跃迁时跃迁频率的绝对值。
图 1 原子在 431 nm 共振光照射下的响应。红线是使用四个高斯函数对黑点进行拟合，蓝线是拟合得到的四个峰值频率的平均值。旋转箭头和磁铁分别代表四个子结构对应的电子的旋转运动以及对应的磁特性（该图是论文中图的修改版）
图 2 显示了在 431 nm 波长处对该时钟跃迁频率进行五次绝对测量的结果。该图可让您检查重复测量的再现性。因此，波长为 431 nm 的时钟跃迁的绝对频率为 (695 171 054 858± 8) kHz（相对不确定度 1×10-11) 与 40 多年前间接测量的不确定度相比，此频率测量的不确定度已显着降低至 1/10 000（参考文献 2）。
图 2 一些频率测量值的分布。绿线显示平均值，绿带显示总体不确定性。 （该图是论文中图的修改版）
这一结果将使世界上任何人都能够利用 431 nm 波长下的时钟跃迁进行光谱分析。并且具有相对不确定性 10-16这将为更精确的光谱学铺平道路，例如国际原子时当前的不确定性甚至更低。这种转变的精确光谱预计不仅可以应用于提高光学晶格钟的精度，还可以应用于各种基础物理研究，包括以下内容。
- 一般来说，精细结构常数变化时，时钟跃迁频率就是理论计算的比例常数K呈线性变化。这个K的值根据时钟跃迁而不同，新的时钟跃迁是中性原子的时钟跃迁中最大的KK的值具有相反的符号并且小一个数量级。通过将新时钟跃迁的频率与前一个时钟跃迁的频率进行比较，我们可以探索精细结构常数的时间变化。
- 上述内容还导致了通过与精细结构常数耦合来寻找超轻暗物质。预计这将导致对未勘探的大规模区域的探索。 (2022 年 12 月 8 日 AIST 新闻稿)
镱原子被捕获在光学晶格中，新时钟跃迁的频率是不会因形成光学晶格的光而改变的波长魔法波长这给出了 10-16的更精确光谱分析此外，我们的目标是在光晶格时钟中同时运行578 nm和431 nm的两个时钟跃迁，以估计环境干扰的影响，进一步提高光晶格时钟的精度，并为秒定义的修订做出贡献。
已出版的杂志：物理审核 A107，L060801 (2023)
论文标题：观察 4f14 6s2 1s 0− 4f135d6秒2(J= 2) 时钟跃迁于 431 nm in171Yb
作者：川崎昭夫、小林拓海、西山明子、田边武彦和安田雅美
DOI：101103/PhysRevA107L060801
1) T Ishiyama、K Ono、T Takano、A Sunaga 和 Y Takahashi，物理评论信, 130 (15): 153402 (2023).
2) S 艾哈迈德、I 马查多和 G Saksena，光谱化学学报 B 部分：原子光谱, 35 (4): 215 (1980).