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

Sintesi Tecnica: Misurazione della Frequenza Assoluta dello Standard $^{176}\text{Lu}^+$ ($^3\text{D}_1$)

Problema e Contesto
Il Sistema Internazionale di Unità (SI) definisce attualmente il secondo tramite la transizione iperfine dello stato fondamentale del $^{133}\text{Cs}$, realizzata attraverso standard di frequenza primaria a fontana di cesio (PFS) con incertezze vicine a $1 \times 10^{-16}$. Sebbene gli orologi atomici ottici abbiano superato gli standard a microonde in termini di stabilità e accuratezza (raggiungendo il regime di $10^{-18}$), una tappa obbligatoria per la ridefinizione del secondo SI è la realizzazione di molteplici misurazioni indipendenti e ad alta accuratezza delle frequenze assolute degli orologi ottici rispetto a indipendenti fontane di cesio. La transizione $^{176}\text{Lu}^+$ ($^3\text{D}_1$) è un candidato competitivo per questo ruolo, avendo precedentemente dimostrato un record di incertezza sistematica minima di $1 \times 10^{-19}$. Tuttavia, la sua prima misurazione della frequenza assoluta è stata limitata dall'instabilità del collegamento satellitare e dal tempo di attività dell'orologio, producendo un'incertezza frazionaria di $9,2 \times 10^{-16}$. Questo articolo affronta la necessità di migliorare tale misurazione per soddisfare il criterio della tabella di marcia di $3 \times 10^{-16}$ per la continuità con il secondo SI basato sul Cs.

Metodologia
Lo studio riporta una misurazione migliorata della frequenza assoluta di uno standard di frequenza ottica a singolo ione $^{176}\text{Lu}^+$ operato presso la National University of Singapore (NUS), valutata rispetto allo standard di frequenza primaria a fontana di cesio NRC-FCs2 presso il National Research Council Canada (NRC).

• Sistema Lu+ di NUS: L'esperimento ha utilizzato un singolo ione $^{176}\text{Lu}^+$ in una trappola di Paul lineare (Lu-1) con una cavità di riferimento a ultra-bassa espansione (ULE) aggiornata e uno schema di interrogazione ibrido microonde-ottico. L'orologio ha operato con un tempo di attività (uptime) del 94,2% su una campagna di 10 giorni. La sequenza di interrogazione ha utilizzato la spettroscopia Hyper-Ramsey con un tempo Ramsey totale di 50 ms, limitato dalla coerenza del laser, per sopprimere gli spostamenti ac Stark indotti dal laser di sonda.
• Sistema NRC-FCs2: Lo standard di confronto, NRC-FCs2, è operato con valutazioni sistematiche aggiornate per le collisioni a freddo, la radiazione di corpo nero (BBR) e gli spostamenti di fase della cavità distribuita (DCP), raggiungendo un'incertezza sistematica totale di $1,17 \times 10^{-16}$.
• Link di Frequenza: I due laboratori sono stati collegati tramite un link-PPP-AR (posizionamento preciso punto-punto con risoluzione dell'ambiguità) tramite GPS. Questo link ha confrontato i maser ad idrogeno (oscillatori flywheel) in entrambi i siti. La catena di misurazione ha comportato:
  1. Il confronto dell'orologio Lu+ con il maser ad idrogeno (HM) di NUS.
  2. Il trasferimento della frequenza tramite il link GPS PPP-AR tra l'HM di NUS e il maser NRC (VM1).
  3. Il confronto tra il VM1 di NRC e la fontana NRC-FCs2.
• Analisi dell'Incertezza: Gli autori hanno impiegato un metodo di trasformata di Fourier per stimare l'incertezza di estrapolazione ($u_{ext}$) derivante dal tempo di inattività della misurazione dell'orologio Lu+, utilizzando un modello di densità spettrale di potenza (PSD) modificato che teneva conto di un picco di rumore specifico nella deviazione di Allan del maser di NUS.

Contributi Chiave e Risultati

• Precisione Migliorata: Gli autori hanno determinato una frequenza assoluta per la transizione $^{176}\text{Lu}^+$ ($^3\text{D}_1$) di 353 638 794 073 800,33(9) Hz.
• Riduzione dell'Incertezza: La misurazione ha raggiunto un'incertezza totale frazionaria di $2,6 \times 10^{-16}$, rappresentando una riduzione di 3,6 volte rispetto alla misurazione precedente ($9,2 \times 10^{-16}$).
• Accordo: Il risultato è in eccellente accordo con la misurazione precedente e con il valore di frequenza raccomandato dal CIPM 2025.
• Miglioramenti Sistematici: L'alto tempo di attività (94,2%) dell'orologio Lu+ ha soppresso significativamente l'incertezza di estrapolazione del tempo morto. Il budget dell'incertezza è stato dominato dall'instabilità della fontana NRC-FCs2 ($1,8 \times 10^{-16}$) piuttosto che dall'orologio ottico o dal link.

Significato
L'articolo afferma che questa misurazione è la prima per $^{176}\text{Lu}^+$ a scendere al di sotto del criterio della tabella di marcia di $3 \times 10^{-16}$ richiesto per la continuità con il secondo SI basato sul Cs. Riducendo l'incertezza di un fattore 3,6, il lavoro stabilisce ulteriormente il $^{176}\text{Lu}^+$ come un riferimento di frequenza affidabile e un candidato valido per la futura ridefinizione del secondo SI. Gli autori osservano che l'attuale incertezza è limitata principalmente dalla fontana NRC-FCs2; suggeriscono che futuri miglioramenti, come l'uso di microonde sintetizzate otticamente e l'estensione della durata della misurazione a 30 giorni, potrebbero potenzialmente ridurre l'incertezza totale a $1,7 \times 10^{-16}$.