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2012 Fiscal Year Annual Research Report

Search for temporal variation of the fundamental constants by using single-ion optical clocks

Planned Research

Project AreaExtreme quantum world opened up by atoms -towards establishing comprehensive picture of the universe based on particle physics-
Project/Area Number 21104006
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

杉山 和彦  京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10335193)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田中 歌子  大阪大学, 基礎工学研究科, 講師 (20359087)
盛永 篤郎  東京理科大学, 理工学部, 教授 (90246687)
Project Period (FY) 2009-04-01 – 2014-03-31
Keywords物理定数 / 量子エレクトロニクス / 超精密計測 / 原子分子物理 / 高性能レーザー
Outline of Annual Research Achievements

本研究ではYb+とBa+の単一イオン光時計を構築してそれらの周波数比を計測し、微細構造定数αの時間変化の検出を目指す。京都大学では、超微細構造のない偶数同位体174Yb+で、波長411nm 2S1/2-2D5/2時計遷移の単一イオン分光を進めた。時計遷移励起用レーザーの発振線幅を500Hzまで狭窄化し、分光スペクトルの幅を5kHzまで狭くした。分解能をさらに高めるために、環境磁場に対して鈍感な奇数同位体171Yb+の利用を進めた。波長435nm 2S1/2-2D3/2時計遷移励起用レーザーを線幅狭窄化し、単一171Yb+でこの時計遷移の励起を確認した。また、2台の光時計を比較して不確かさ評価を行うために、2台目の装置を単一174Yb+のレーザー冷却まで立ち上げた。Ba+では、波長1.76μm 2S1/2-2D5/2時計遷移励起用光源のパワーを増強するため外部共振器型半導体レーザーを作成し、時計遷移の励起を確認した。奇数同位体を冷却するレーザー群の整備を継続した。低パワーの半導体レーザーによる直接励起でYb:KYWレーザーをモード同期発振させ、長時間連続運転可能な光周波数コムの実現を目指している。その周波数制御に必要不可欠なオフセット周波数を検出した。
大阪大学では、蛍光集光効率の高い2次元型イオントラップにおけるレーザー冷却技術を確立し、Ca+イオンからの蛍光を従来型のトラップよりも高い集光効率で観測できることを確認した。東京理科大学では、開発した狭線幅半導体レーザーを用いて周波数に敏感な原子干渉計を構成し、狭窄化の基準に用いた光共振器の特性を評価した。縦置き型光共振器の共鳴に高速安定化した狭線幅半導体レーザーを新たに作成し、すでに開発したレーザーとのビートから、発振線幅が100Hz以下であり光共振器の熱膨張が22℃で0となることを確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

Yb+の単一イオン分光は、偶数同位体では、特別な工夫をしないで得られるほぼ限界のスペクトル幅に達した。奇数同位体171Yb+では時計遷移スペクトル検出直前までに必要な全ての要素技術を確立した。あとは時計遷移励起用レーザーの周波数を正確に掃引するシステムを偶数同位体の場合と同様に構築すれば、単一171Yb+で基準スペクトルが得られる。また、低パワーの半導体レーザー励起で実現した1オクターブ光周波数コムでは、その周波数制御のために必要不可欠なオフセット周波数の検出技術を確立し、長時間連続運転可能な光周波数比計測システム実現へ大きく前進した。大阪大学と東京理科大学は要素技術を確実に発展させ、それぞれ、高い蛍光集光効率を確認し、発振線幅を狭窄化したレーザーの線幅の評価方法を確立した。同時に、蛍光の高速検出、ならびに時計遷移励起用レーザーの線幅狭窄化を中心に京都大学と技術協力をすすめ、研究目的の実現に向けて進捗を加速している。
全体としての研究の進展は当初計画よりやや遅れたものの、開発に困難が予想された要素技術を昨年度も着実に獲得することができた。これにより最終年度は順調な進展が予想されるため、評価を(2)とした。

Strategy for Future Research Activity

磁場に対して周波数が鈍感な奇数同位体171の単一Yb+イオンを用いて、2S1/2-2D3/2、および2S1/2-2D5/2遷移の基準スペクトルを取得し、そのスペクトルにレーザーの周波数を安定化して光時計を構築する。同じ遷移を基準とする2台の光時計を構築し、それらの比較から周波数の不確かさを評価する。微細構造定数αの時間変化に対する感度がもっとも高いが、スペクトル幅が極端に狭く励起が困難な2S1/2-2F7/2遷移についても、発振線幅のきわめて狭いレーザーを開発し光時計を構築する。Ba+イオンでは、偶数同位体で波長1.76μm 2S1/2-2D5/2遷移の単一イオン光時計を構築する。レーザー冷却が非常に難しいが、もっとも小さな不確かさが期待される奇数同位体の研究も進め、波長2.06μm 2S1/2-2D3/2遷移で光時計構築を目指す。また、これまでに比較的小さいパワーの半導体レーザーによる励起で、スペクトル幅1オクターブの光周波数コムを実現した。このコムの周波数制御技術を確立し、基準遷移の異なる2台の光時計の周波数比を長時間連続測定するシステムを開発する。
大阪大学では、高集光効率の2次元型のイオントラップを用いてCa+イオンの2S1/2-2D5/2時計遷移を観測し、スペクトル検出の高速化と光時計の安定度向上への寄与を評価する。東京理科大学では、2台の線幅狭窄化レーザーのビートを用いて線幅を評価し、Hz線幅実現を目指して振動除去や制御法の改良を行う。
両大学で開発される技術を京都大学へ適宜移転して光時計の周波数安定度と不確かさを向上させながら、周波数比を繰り返し測定し、その時間変化からαの時間変化を探査する。

  • Research Products

    (30 results)

All 2013 2012 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (26 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Dispersion-shaped ac Stark phase shift of Ca intercombination transitions with a time-domain atom interferometer2012

    • Author(s)
      T. Akatsuka, K. Tanihara, K. Komito, K. Ooi, and A. Morinaga
    • Journal Title

      Physical Review A

      Volume: Vol.86, No.2 Pages: 023418(1-5)

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.86.023418.

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Frequency stabilization of laser diode to the 6S-8S two-photon transitions in cesium atoms in a vapor cell placed in an external cavity2012

    • Author(s)
      T. Uehara, K. Sugiyama, and M. Kitano
    • Journal Title

      Digest of 2012 Conference on Precision Electromagnetic Measurements

      Pages: 268-269

    • DOI

      10.1109/cpem.2012.6250905.

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Noncyclic Berry phase and scalar Aharonov-Bohm phase for the spin-redirection evolution in an atom interferometer2012

    • Author(s)
      A. Morinaga and K. Nanri
    • Journal Title

      Physical Review A

      Volume: 86 Pages: 022105-1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.86.022105

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] カルシウム光ラムゼー周波数基準を用いたULE ガラスの時間対称性の破れの検証2013

    • Author(s)
      大竹友里江, 平田州, 小林比呂志(産総研関西セ), 盛永篤郎
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス
    • Year and Date
      2013-03-27
  • [Presentation] 単一171Yb+ 2S1/2-2D3/2時計遷移の励起による量子跳躍の観測2013

    • Author(s)
      西 達也, 今井 康貴, 杉山 和彦, 北野 正雄
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス
    • Year and Date
      2013-03-26
  • [Presentation] 単一174Yb+ の2S1/2-2D5/2遷移分光による振動サイドバンドの検出2013

    • Author(s)
      今井 康貴, 杉山 和彦, 西 達也, 北野 正雄
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス
    • Year and Date
      2013-03-26
  • [Presentation] モード同期Yb:KYWレーザーを用いた1オクターブ光周波数コムの周波数制御2013

    • Author(s)
      三滝 雅俊, 杉山 和彦, 北野 正雄
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス
    • Year and Date
      2013-03-26
  • [Presentation] 不均一磁場を用いた量子シミュレーションの為のプレーナーイオントラップの開発2013

    • Author(s)
      岡田壮平, 野口篤史, 松井健太, 田中歌子, 都倉 康弘, 占部伸二
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス
    • Year and Date
      2013-03-26
  • [Presentation] 量子論理分光法に向けた40Ca+-115In+の共同冷却2013

    • Author(s)
      北中智大, 畔上昇馬, 神田昂宗, 田中歌子, 早坂和弘, 占部伸二
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス
    • Year and Date
      2013-03-26
  • [Presentation] 2次元配列を目指したプレーナートラップの開発とマイクロ運動の補正2013

    • Author(s)
      鈴木健高, 茨木友希, 田中歌子, 占部伸二
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス
    • Year and Date
      2013-03-26
  • [Presentation] 測地線経路と楕円型経路によるベリー位相の測定2013

    • Author(s)
      南里浩太, 奥岡真也, 盛永篤郎
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス
    • Year and Date
      2013-03-26
  • [Presentation] 原子干渉計のデコヒーレンスを利用した原子-環境系相互作用の研究2013

    • Author(s)
      中村圭佑, 盛永篤郎
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス
    • Year and Date
      2013-03-26
  • [Presentation] Development status of Yb+ and Ba+ optical clocks for search for temporal variation of the fine structure constant2013

    • Author(s)
      K. Sugiyama, Y. Imai, M. Mitaki, T. Nishi, Y. Hara, T. Momiyama, Y. Ideta, H. Fujisaki, S. Higashitani, and M. Kitano
    • Organizer
      6th GCOE International Symposium on Photonics and Electronics Science and Engineering
    • Place of Presentation
      京都大学 桂キャンパス
    • Year and Date
      2013-03-11
  • [Presentation] Progress report on development of Yb+ and Ba+ optical clocks for search for temporal variation of the fine structure constant2013

    • Author(s)
      Y. Imai, M. Mitaki, T. Uehara, T. Nishi, Y. Hara, T. Momiyama, Y. Ideta, H. Fujisaki, S. Higashitani, M. Kitano, and K. Sugiyama
    • Organizer
      NICT Workshop on the Optical Frequency Standards
    • Place of Presentation
      情報通信研究機構(東京都小金井市)
    • Year and Date
      2013-02-07
  • [Presentation] Sympathetic cooling of 40Ca+-115In+ toward quantum logic spectroscopy2013

    • Author(s)
      T. Kitanaka, S. Azegami, T. Kanda, U. Tanaka, K. Hayasaka, and S. Urabe
    • Organizer
      NICT Workshop on the Optical Frequency Standards
    • Place of Presentation
      情報通信研究機構(東京都小金井市)
    • Year and Date
      2013-02-07
  • [Presentation] Ba+レーザー冷却光源安定化のためのI2分子 波長650nm帯modulation transfer分光2012

    • Author(s)
      原 好広, 杉山 和彦, 北野 正雄
    • Organizer
      Optics & Photonics Japan 2012
    • Place of Presentation
      タワーホール船堀 (東京都江戸川区)
    • Year and Date
      2012-10-23
  • [Presentation] Atom interferometry with a phase resolution of a few milliradians based on a narrow-linewidth diode laser2012

    • Author(s)
      A.Morinaga, Y. Mori, K. Tanihara, Y. Ohtake, and T. Akatsuka
    • Organizer
      The 6th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms
    • Place of Presentation
      東北大学 青葉山キャンパス
    • Year and Date
      2012-09-30
  • [Presentation] Octave-spanning optical frequency comb using a laser-diode-pumped Kerr-lens mode-locked Yb:KYW laser2012

    • Author(s)
      M. Mitaki, K. Sugiyama, and M. Kitano
    • Organizer
      The 6th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms
    • Place of Presentation
      東北大学 青葉山キャンパス
    • Year and Date
      2012-09-29
  • [Presentation] Laser cooling of a single 171Yb+ ion confined in a small RF ion trap2012

    • Author(s)
      T. Nishi, Y. Imai, K. Sugiyama, and M. Kitano
    • Organizer
      The 6th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms
    • Place of Presentation
      東北大学 青葉山キャンパス
    • Year and Date
      2012-09-29
  • [Presentation] Modulation transfer spectroscopy of iodine molecules at 650 nm providing a reference frequency used for laser cooling of Ba+2012

    • Author(s)
      Y. Hara, K. Sugiyama, and M. Kitano
    • Organizer
      The 6th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms
    • Place of Presentation
      東北大学 青葉山キャンパス
    • Year and Date
      2012-09-29
  • [Presentation] Laser cooling of Ca+ ions confined in a planar segmented trap2012

    • Author(s)
      U. Tanaka, S. Okada, K. Suzuki, and S. Urabe
    • Organizer
      The 6th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms
    • Place of Presentation
      東北大学 青葉山キャンパス
    • Year and Date
      2012-09-29
  • [Presentation] Violation of time-reversal symmetry in ULE glass using a calcium Ramsey frequency reference2012

    • Author(s)
      Y. Ohtake, S. Hirata, and A. Morinaga
    • Organizer
      The 6th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms
    • Place of Presentation
      東北大学 青葉山キャンパス
    • Year and Date
      2012-09-29
  • [Presentation] Quantum gravity induced from decoherence of atom interferometry2012

    • Author(s)
      K. Nakamura and A. Morinaga
    • Organizer
      The 6th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms
    • Place of Presentation
      東北大学 青葉山キャンパス
    • Year and Date
      2012-09-29
  • [Presentation] Progress in development of a Yb+ single-ion optical clock towards search for temporal variation of the fine structure constant2012

    • Author(s)
      Y. Imai
    • Organizer
      The 6th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms
    • Place of Presentation
      東北大学 青葉山キャンパス
    • Year and Date
      2012-09-28
  • [Presentation] 時間非対称磁場ポテンシャル操作下での2光子遷移を用いた原子干渉計の位相2012

    • Author(s)
      南里浩太, 中村圭佑, 奥岡真也, 盛永篤郎
    • Organizer
      日本物理学会 2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学 常盤台キャンパス
    • Year and Date
      2012-09-21
  • [Presentation] 外部共振器内セルを用いたCs 6S-8S二光子吸収線安定化外部共振器型半導体レーザーⅢ2012

    • Author(s)
      上原 知幸, 杉山 和彦, 北野 正雄
    • Organizer
      日本物理学会 2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学 常盤台キャンパス
    • Year and Date
      2012-09-20
  • [Presentation] カルシウム周波数基準を用いたULEガラスの時間対称性の破れの研究2012

    • Author(s)
      大竹友里江, 平田州, 小林比呂志(産総研関西), 盛永篤郎
    • Organizer
      日本物理学会 2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学 常盤台キャンパス
    • Year and Date
      2012-09-20
  • [Presentation] 量子インターフェースとしてのイオントラップの展望(招待講演)2012

    • Author(s)
      田中歌子
    • Organizer
      FIRST-QIPP夏期研修会2012
    • Place of Presentation
      ホテルブリーズベイマリーナ(沖縄県宮古島)
    • Year and Date
      2012-08-10
    • Invited
  • [Presentation] Frequency stabilization of laser diode to the 6S-8S two-photon transitions in cesium atoms in a vapor cell placed in an external cavity2012

    • Author(s)
      T. Uehara, K. Sugiyama, and M. Kitano
    • Organizer
      2012 Conference on Precision electromagnetic Measurements (CPEM2012)
    • Place of Presentation
      Gaylord National Resort (アメリカ合衆国ワシントン市)
    • Year and Date
      2012-07-03
  • [Remarks] 新学術領域 原子が切り拓く極限量子の世界

    • URL

      http://xqw.hep.okayama-u.ac.jp/kakenhi/

URL: 

Published: 2018-02-02  

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