2014 Fiscal Year Annual Research Report
単一イッテルビウムイオン光時計を用いた微細構造定数の時間変化探索
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26287092
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
杉山 和彦 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10335193)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 量子エレクトロニクス / 物理定数 / イオントラップ / 周波数標準 / 高性能レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
イッテルビウムイオン(Yb+)の光時計の基準となる吸収線（時計遷移）について、磁場に鈍感な奇数同位体171を用いて, 2S1/2-2D3/2時計遷移のスペクトルを単一イオンで獲得する方法を確立した。磁気量子数の異なる5つの成分を周波数軸上で分離し、それらの中央にある磁場に鈍感な成分を同定した。その成分を高分解能で分光し、イオンの運動により発生するサイドバンドを分離してドップラーシフトのないキャリアを抽出した。分解能は現在1.5 kHzである。
光時計の不確かさを評価は、まず同じ遷移の光時計を2台構築して相互に比較して行う。比較用の第2イオントラップ装置を立ち上げ、超微細構造がなくレーザー冷却が簡単な偶数同位体174を用いて、2S1/2-2D5/2時計遷移のスペクトルを単一イオンで検出した。
周波数比を計測する光周波数コムは、ピエゾ素子を高速で制御可能としたアクチエーターをモード同期チタニウムサファイアレーザーに導入し、時計レーザーに光コムを完全に位相同期させる技術を確立した。これにより周波数比計測の高速化を可能とするとともに、離れた波長のレーザーのスペクトル線幅を比較し評価することが可能となった。この技術により時計遷移へ周波数安定化されるレーザー（時計レーザー）の性能評価が進み、疑念があった制御回路の問題が明らかになった。時計レーザーは光共振器の共鳴へ高速制御を行うことによって、そのスペクトル線幅が狭窄化される。このとき用いられる制御回路を改良し、光共振器の共鳴に対する相対線幅を30 Hzから10 Hz未満に改良した。
半導体レーザー直接励起Yb:KYWレーザーによるコムについては、雑音を低減してCWレーザーとのビートの検出に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
磁場に鈍感な同位体171を用いた単一イオン分光技術を確立できたことは、大きな進展である。また、第2トラップ装置が立ち上がり、光時計の不確かさ評価に関する準備は進んだ。新しいイオントラップ電極の設計は積み残した。
光周波数コムの完全な位相同期を実現したことは、周波数比測定の高速化以前に、時計レーザーの改良に貢献する強力な評価ツールを手に入れたことになる。その時計レーザーの改良については、制御については改良が進んだ。光共振器の防音、除振、および長時間の安定化に関しては準備段階にとどまったため、翌年度の課題となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までに検出に成功している2S1/2-2D3/2、および2S1/2-2D5/2時計遷移のスペクトルを用いて、光時計を構築する。2台のイオントラップ装置を用いて同じ遷移どうしを比較し、不確かさを評価する。
完成した周波数比計測装置を用いて、両遷移の周波数比を測定するとともに、異なる遷移の比較による不確かさ評価の方法を確立する。そして、当初の目標である、1つのトラップ中の1個のイオンを用いた複数の光時計の構築と周波数比計測、その不確かさ測定へ研究を進める。
平行して時計レーザーの線幅と長期的な周波数安定度の改良を、周波数の基準として用いている光共振器の改良を中心に進める。時計レーザーの線幅をHzレベルに改良し、光時計としてもっとも小さな不確かさが見込め、微細構造定数の変化に対する感度も最大である2S1/2-2F7/2遷移の光時計構築を進める。その後、この遷移を含む不確かさ評価と改良、周波数比計測を着実に進めていく。周波数比の繰り返し計測を容易にするためにも、半導体レーザー直接励起Yb:KYWレーザーによる長時間連続運転可能なシステムの構築を進める。
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| Causes of Carryover |
光共振器を設置する除振台の架台を発注する予定であったが、見積もりを取ったところ予想以上に高価で、今年度の予算では不足することが判明した。次年度予算とあわせて購入することにより、仕様を落とすことなく購入することとした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
上記架台の仕様は、見積もり依頼時点ですでに固まっていたが、この機会に設置場所の確保等、細かい点まで詰めてから、発注することとした。遅くとも5月には発注する。
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| Remarks |
研究室のホームページには本研究に関する記載が少ないので、新しいページの準備を進める予定である。
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