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Absolutfrequenzmessung des S-F-Oktupolübergangs in 171Yb+

13.10.2010

Ein gespeichertes Ytterbiumion bietet zwei Möglichkeiten zur Realisierung eines optischen Frequenznormals: einer der potentiellen Referenzübergänge ist der elektrische Quadrupolübergang 2S1/2 - 2D3/2 bei 688 THz (436 nm) mit einer natürlichen Linienbreite von 3 Hz, der andere ist der Oktupolübergang 2S1/2 - 2F7/2 bei 642 THz (467 nm) mit einer Linienbreite im nHz-Bereich. Das an der PTB entwickelte 688 THz-Yb+-Normal hat eine abgeschätzte relative systematische Unsicherheit von 5⋅10-16 [1]. Die Frequenz dieses Übergangs ist eine der empfohlenen sekundären Darstellungen der SI-Sekunde im optischen Bereich. Der Oktupolübergang ist für die Frequenzmetrologie ebenfalls von Interesse, da die Übergangsfrequenz einerseits deutlich weniger durch externe Felder beeinflusst wird, andererseits aber besonders empfindlich von der Feinstrukturkonstante α abhängt. Problematisch ist allerdings die extrem kleine Linienstärke des Oktupolübergangs: die hohe optische Leistungsdichte, die zur Anregung benötigt wird, führt durch nichtresonante Ankopplung höherliegender Niveaus zu einer nicht vernachlässigbaren Verschiebung der Übergangsfrequenz (light shift).

Die ungestörte S - F -Übergangsfrequenz muss entweder indirekt durch lineare Extrapolation bestimmt werden oder es muss ein spezielles Anregungsverfahren angewendet werden, bei dem die freie atomare Zeitentwicklung zwischen mehreren Anregungspulsen zu einer in erster Näherung unverschobenen Resonanz führt [2]. In einem ersten Schritt wurden Absolutfrequenzmessungen per Extrapolation mit der Cäsiumfontäne CSF1 als Referenz durchgeführt. Hierbei wurde die Frequenz eines schmalbandigen Anregungslasers [3] alternierend für zwei unterschiedliche Anregungsintensitäten mit voneinander unabhängigen Regelalgorithmen auf den Oktupolübergang stabilisiert. Die Laserfrequenz, die sich bei einer der Intensitäten ergab, wurde mit einem Frequenzkammgenerator gemessen. Parallel dazu wurde das Intensitätsverhältnis und die Differenz der stabilisierten optischen Frequenzen registriert.

Die Werte der 2S1/2(F=0) - 2F7/2(F=3) - Übergangsfrequenz, die in mehreren 3 bis 24 Stunden langen Mittelungsintervallen gemessen wurden, stimmen innerhalb der durch die Instabilität der Fontänenreferenz dominierten Messunsicherheit überein. Von unterschiedlichen Intensitäten ausgehende Extrapolationen liefern das gleiche Ergebnis (siehe Bild). Damit sind alle Voraussetzungen für eine Absolutfrequenzmessung mit einer Gesamtunsicherheit im Bereich von 1⋅10-15 erfüllt. Bisher ist die Frequenz des Yb+-Oktupolübergangs nur mit einer Genauigkeit von  2⋅10-14 bekannt [4].

Ergebnisse der Frequenzmessungen des 2S1/2(F=0) - 2F7/2(F=3) - Oktupolübergangs in 171Yb+. Über den Meßpunkten sind die Mittelwerte der lichtinduzierten Frequenzverschiebungen angegeben, aus denen die ungestörte Übergangsfrequenz extrapoliert wurde. Die Fehlerbalken geben die statistische Unsicherheit der einzelnen Messungen wieder. 


Literatur:

[1]     Chr. Tamm, S. Weyers, B. Lipphardt, E. Peik, Stray-field-induced quadrupole shift and absolute frequency of the 688 THz 171Yb+ single-ion optical frequency standard, Phys. Rev. A 80, 043403 (2009).

[2]      V.I. Yudin, A.V. Taichenachev, C.W. Oates, Z.W. Barber, N.D. Lemke, A.D. Ludlow, U. Sterr, Ch. Lisdat, F. Riehle, Hyper-Ramsey spectroscopy of optical clock transitions, Phys. Rev. A 82, 011804(R) (2010).

[3]      I. Sherstov, M. Okhapkin, B. Lipphardt, Chr. Tamm, E. Peik, Diode-laser system for high-resolution spectroscopy of the  2S1/2 - 2F7/2 octupole transition in 171Yb+, Phys. Rev. A 81, 021805(R) (2010).

[4]      K. Hosaka, S.A. Webster, A. Stannard, B.R. Walton, H.S. Margolis, P. Gill, Frequency measurement of the  2S1/2 - 2F7/2 electric octupole transition in a single 171Yb+ ion, Phys. Rev. A 79, 033403 (2009).