Absolute frequency measurement of the $^{176}$Lu$^+\,(^{3}\mathrm{D}_1)$ standard against the NRC-FCs2 fountain with $2.6\times10^{-16}$ uncertainty

Résumé technique : Mesure de la fréquence absolue de la transition $^{176}\text{Lu}^+$ ($^3\text{D}_1$) standard

Problématique et contexte
Le Système international d'unités (SI) définit actuellement la seconde via la transition hyperfine de l'état fondamental de l'$^{133}\text{Cs}$, réalisée par des horloges primaires à fontaine de césium (PFS) dont les incertitudes sont proches de $1 \times 10^{-16}$. Bien que les horloges atomiques optiques aient surpassé les étalons micro-ondes en termes de stabilité et de précision (atteignant le régime de $10^{-18}$), une étape obligatoire pour la redéfinition de la seconde du SI est la réalisation de mesures de fréquence absolue multiples et indépendantes d'horloges optiques par rapport à des fontaines de césium indépendantes. La transition $^{176}\text{Lu}^+$ ($^3\text{D}_1$) est un candidat compétitif pour ce rôle, ayant précédemment démontré une incertitude systématique record de $1 \times 10^{-19}$. Cependant, sa première mesure de fréquence absolue a été limitée par l'instabilité de la liaison satellite et le temps de disponibilité de l'horloge, produisant une incertitude fractionnaire de $9,2 \times 10^{-16}$. Ce document traite de la nécessité d'améliorer cette mesure pour satisfaire au critère de la feuille de route de $3 \times 10^{-16}$ pour la continuité avec la seconde du SI basée sur le Cs.

Méthodologie
L'étude rapporte une mesure améliorée de la fréquence absolue d'un étalon de fréquence optique à ion unique de $^{176}\text{Lu}^+$ exploité à l'Université nationale de Singapour (NUS), évaluée par rapport à l'étalon de fréquence primaire à fontaine de césium NRC-FCs2 au Conseil national de recherches du Canada (NRC).

• Système Lu+ de la NUS : L'expérience a utilisé un ion unique de $^{176}\text{Lu}^+$ dans un piège de Paul linéaire (Lu-1) avec une cavité de référence à ultra-faible expansion (ULE) améliorée et un schéma d'interrogation hybride micro-ondes-optique. L'horloge a fonctionné avec un taux de disponibilité de 94,2 % sur une campagne de 10 jours. La séquence d'interrogation a utilisé la spectroscopie Hyper-Ramsey avec un temps de Ramsey total de 50 ms, limité par la cohérence du laser, afin de supprimer les décalages Stark de type ac induits par le laser de sonde.
• Système NRC-FCs2 : L'étalon de comparaison, NRC-FCs2, a fonctionné avec des évaluations systématiques mises à jour pour les collisions à froid, le rayonnement du corps noir (BBR) et les décalages de phase de cavité distribuée (DCP), atteignant une incertitude systématique totale de $1,17 \times 10^{-16}$.
• Liaison de fréquence : Les deux laboratoires ont été connectés via une liaison de positionnement précis par point précis résolu par ambiguïté (PPP-AR) sur le système GPS. Cette liaison a comparé les masers à hydrogène (oscillateurs volants) des deux sites. La chaîne de mesure comprenait :
  1. La comparaison de l'horloge Lu+ avec le maser à hydrogène (HM) de la NUS.
  2. Le transfert de la fréquence via la liaison GPS PPP-AR entre le HM de la NUS et le maser de la NRC (VM1).
  3. La comparaison du VM1 de la NRC avec la fontaine NRC-FCs2.
• Analyse de l'incertitude : Les auteurs ont employé une méthode de transformée de Fourier pour estimer l'incertitude d'extrapolation ($u_{ext}$) découlant du temps d'arrêt de la mesure de l'horloge Lu+, en utilisant un modèle de densité spectrale de puissance (PSD) modifié qui tenait compte d'une bosse de bruit spécifique dans l'écart de type Allan du maser de la NUS.

Contributions clés et résultats

• Précision améliorée : Les auteurs ont déterminé une fréquence absolue pour la transition $^{176}\text{Lu}^+$ ($^3\text{D}_1$) de 353 638 794 073 800,33(9) Hz.
• Réduction de l'incertitude : La mesure a atteint une incertitude totale fractionnaire de $2,6 \times 10^{-16}$, ce qui représente une réduction de 3,6 fois par rapport à la mesure précédente ($9,2 \times 10^{-16}$).
• Accord : Le résultat est en excellent accord avec la mesure précédente et la valeur de fréquence recommandée par le CIPM pour 2025.
• Améliorations systématiques : Le budget d'incertitude était dominé par l'instabilité de la fontaine NRC-FCs2 ($1,8 \times 10^{-16}$), plutôt que par l'horloge optique ou la liaison.

Signification
L'article affirme que cette mesure est la première pour le $^{176}\text{Lu}^+$ à descendre sous le critère de la feuille de route de $3 \times 10^{-16}$ requis pour la continuité avec la seconde du SI basée sur le Cs. En réduisant l'incertitude d'un facteur 3,6, ce travail établit davantage le $^{176}\text{Lu}^+$ comme une référence de fréquence fiable et un candidat viable pour la redéfinition future de la seconde du SI. Les auteurs notent que l'incertitude actuelle est principalement limitée par la fontaine NRC-FCs2 ; ils suggèrent que de futures améliorations, telles que l'utilisation de micro-ondes synthétisées optiquement et l'extension de la durée de mesure à 30 jours, pourraient potentiellement réduire l'incertitude totale à $1,7 \times 10^{-16}$.