2023 Fiscal Year Annual Research Report
トラップされた単一と多数個のイッテルビウムイオンを組み合わせた超高精度光時計
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21H01013
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
杉山 和彦 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10335193)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | イオントラップ / 光周波数標準 / イッテルビウムイオン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度までに超微細構造をもたない174Yb+の単一イオンついて、2方向から冷却レーザーを導入して永年運動を3次元とも冷却する方法、ならびに、マイクロ運動を3次元とも最小化する方法を確立した。本年度は、超微細構造をもつものの磁場に鈍感な時計遷移をもつ171Yb+の単一イオンへ、冷却技術の移転を目指した。超微細構造間の光ポンピングを避けるため、外部共振器型紫外半導体レーザーによるサブ冷却光を導入し、レーザー冷却をおこなった。到達温度は171Yb+では、2S1/2-2D3/2時計遷移スペクトルにより測定する。そのためには2D3/2(F=2)準位をレーザー冷却サイクルから分離する必要がある。その条件を今回新たに用いたイオントラップ装置について特定した。さらに、2S1/2-2D3/2時計遷移スペクトルの駆動に成功し、永年運動によるサイドバンド構造を検出するところまで分解能を向上させた。
並行して、時計遷移周波数の周波数シフトの測定と2S1/2-2F7/2遷移の励起のために、3次元冷却が可能な2台目のイオントラップ装置の構築を進めた。このイオントラップ装置はこれまでは冷却レーザーは1方向からのみ照射していた。こちらは174Yb+で研究を進めた。2方向目の冷却レーザーを導入するために蛍光検出レンズ系をイオントラップから遠ざけざるをえず、検出できる蛍光強度は低下した。しかし、同時に迷光も低下したため、単一イオンの検出は問題なく可能であった。2S1/2-2D5/2時計遷移スペクトルの駆動に成功し、こちらも永年運動によるサイドバンド構造を検出するところまで分解能を向上させた。
また、遅れていた多数個イオンを閉じ込めるリニアRFイオントラップは、トラップ電極の固定とオーブンの設置、および真空内の配線をおこなって真空槽を組み上げた。ベーキングも問題なくでき、装置として立ち上った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
3次元の冷却が可能な単一Yb+イオントラップ装置が2台体制になったことは評価できる。うち1台は171Yb+の時計遷移観測まで可能となった。3次元の冷却技術や171Yb+の2S1/2-2D3/2時計遷移分光技術は、それぞれ別のイオントラップ装置で開発したものであり、その技術移転による再現ができたことも、Yb+イオントラップの操作技術を確かに確立できたといえる。単一Yb+イオントラップに関しては、すこし進捗を挽回できたのではなかろうか。
一方、遅れが目立っていたリニアRFイオントラップについては、今年度装置を立ち上げることができた。イオンをトラップしての観測と測定はこれからであり進捗を挽回したとはいえないものの、この装置を用いて来年度は発展させる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2台体制になった単一イオントラップ装置を活用する。まず、一方のトラップ装置に超微細構造をもつものの磁場に対して鈍感な遷移をもつ171Yb+を1個だけトラップし、S1/2-2D3/2遷移を観測する。可能であれば、この遷移を励起するレーザー（時計レーザー）の周波数を、検出したスペクトルにフィードバック制御し安定化する。この遷移の周波数を基準に光周波数コムを周波数安定化し、報告されている周波数比の値を利用して、2S1/2-2F7/2遷移の時計レーザーの周波数を設定する。そして、もう1台のイオントラップ装置にも単一171Yb+をトラップし、2S1/2-2F7/2遷移を観測する。2S1/2-2F7/2遷移は上準位の寿命が数年と極めて弱いため、遷移を観測するにはあらかじめ時計レーザーの周波数を設定しておく必要がある。したがって、上記の方法をとる。2S1/2-2F7/2遷移の励起の観測が難しい場合は、こちらのイオントラップ装置でも2S1/2-2D3/2遷移を観測し、2台の比較から周波数シフトの要因を調べる。
また、立ち上がったリニアRFトラップに複数個のYb+をトラップ軸上に結晶化させ、時計遷移の分光をおこない、スペクトル幅を観測する。まずは超微細構造をもたない174Yb+を用いて2S1/2-2D5/2遷移を観測する。さらに、171Yb+を用いて2S1/2-2D3/2遷移を観測する。ともにイオン数をどこまで増やすことができるか調べる。冷却と時計遷移の観測の両立が難しい171Yb+では、冷却が十分可能かどうかにも注目する。観測したスペクトルの幅と信号対雑音比から、周波数安定度を改善可能かどうかを見積る。周波数安定化するところまで進めて、単一イオン用時計レーザーの周波数安定度改善を試みる。単一171Yb+のスペクトルを観測して、多数個イオン安定化レーザーの効果を実証するところまで進めたい。
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