2015 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 |
単一イッテルビウムイオン（Yb+）を用いて, 光時計の基準とする吸収線（時計遷移）の高分解能分光を進めた. 対象は, 超微細構造をもつ同位体171の2S1/2－2D3/2時計遷移にある, 磁場に鈍感な磁気副準位間遷移である. 時間をおいて複数回スペクトルを検出して時計遷移を励起するレーザー（時計レーザー）の周波数変動を測定し, 測定結果から求めた線形な変動分をあらかじめ補正しながら高分解能に周波数掃引を行って分光した. レーザー周波数を低周波方向と高周波方向の2方向へ掃引してスペクトルを検出し, 補正しきれなかった時計レーザー周波数の時間変動分を取り除き, スペクトル幅を380 Hzまで狭めることができた. これにより, スペクトル幅が時計レーザーの発振線幅で制限される値まで狭くなったことを確認した.
光時計の不確かさ評価は, まず同じ遷移を基準とする2台の光時計の比較で行う. この目的で開発してきた2台目のイオントラップ装置において、超微細構造がなく分光が簡単な偶数同位体174の2S1/2-2D5/2時計遷移の単一イオン分光で, イオンの運動により生じるサイドバンドを明確に分離し, 装置として立ち上げることができた。2台目の装置ではレーザー冷却を2方向からできるように改良し、その評価を進めつつある.
周波数比の長時間連続測定に向けて開発中のYb:KYWレーザーを用いた光周波数コムでは, GPS時計を基準とした光周波数計測を可能とした. さらに, 短時間ながら時計レーザーに対する位相同期を実現し, 光周波数比計測システム実現へ前進した.
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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
1台目のイオントラップ装置で単一イオン分光法の改良を行い, スペクトル幅を時計レーザーの発振線幅まで狭めることができた. これで単一イオン分光システムとしては完成で, 時計レーザーの線幅を改良すればスペクトル幅をさらに狭く検出できる. また, 2台目のイオントラップ装置で単一イオン分光システムが完成し, 2台の比較による不確かさ評価に向けて大きく前進した. 2方向からのレーザー冷却を可能としたことで, イオンの運動に起因する不確かさを低減することができる.
Yb:KYWレーザーを用いた光周波数コムで光周波数計測が可能となった. GPS時計ベースなので不確かさは最良でも光周波数でkHzオーダーであるが, 連続運転可能であり, 今後多くの実験の進捗に貢献してくれるものと期待している.
全体として, 当初計画に対しては若干遅れているものの, 時計レーザーの発振線幅の改良を除いて研究は着々と進捗している. 平成28年度は時計レーザーの改良に重点を置き, 研究の進捗を加速する.
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| Strategy for Future Research Activity |
レーザー冷却用レーザーの出力を増強し, 2台のイオントラップ装置に同時にYb+を閉じ込めてレーザー冷却を可能にする. 1台目のイオントラップ装置を改良し, 2台目のイオントラップ装置で可能とした2方向からのレーザー冷却を, 1台目の装置でも可能とする. これらによって, ドップラーシフトを抑えた不確かさ評価を可能とする.
平行して, 時計レーザーの改良を進める. 2S1/2－2D3/2時計遷移の単一イオンのスペクトルから, 改良した時計レーザーの発振線幅と周波数安定度を評価する. そして, 単一イオンのスペクトルに時計レーザーをフィードバック制御して光時計を構築し, 2台の比較から不確かさ評価を進めていく. また, 下記のように光周波数コムと組み合わせることによって, 寿命約10年とスペクトル幅が極めて狭く, かつ, αの時間変化に対する感度が高い2S1/2－2F7/2遷移の単一イオン分光を開始する.
光周波数コムに関しては, 半導体レーザー励起Yb:KYWレーザーを用いた光周波数コムが, 光周波数比計測に応用可能であることを実証する. そして, 開発した光周波数比計測システムを利用して, 2S1/2－2D3/2時計遷移を基準に2S1/2－2F7/2時計遷移励起用レーザーの周波数を設定し, 2S1/2－2F7/2遷移の単一イオン分光を行う.
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| Causes of Carryover |
イオントラップ電極を設計し試作する予定であったが, 参照用ランプなど必要物品の寿命による交換や, 研究の進捗状況により他の物品を優先して購入せざるを得ない状況となり, 予算が逼迫した. また, イオントラップ電極はシミュレーションを用いて詳細に設計する必要があり, この点がまだ不十分である. したがって, ある程度の金額を次年度に残し, 新しい電極を詳細な設計後に試作することとした.
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
新しいイオントラップ電極を設計し, それを試作する費用の補助に充てる. 設計には保有するシミュレーションソフトを使いこなす必要があり, ある程度の期間が必要である. 平成27年度に進めた実験で, 実験そのものは保有していたイオントラップ電極で十分行うことができることを確認した. したがって, 不十分な設計で急いで試作することなく, 慎重に設計を行う. 試作は今年度後半を見込んでいる.
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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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[Presentation] 基礎物理学を目指す単一イオン光時計2015
Author(s)
杉山 和彦, 今井 康貴, 三滝 雅俊, 藤崎 広豊, 西田 圭佑, 友松 駿介
Organizer
京大アカデミックデイ2015
Place of Presentation
京都大学吉田キャンパス 百周年時計台記念館（京都府・京都市左京区）
Year and Date
2015-10-04
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