[論文レビュー] A liquid nitrogen-cooled Ca^+ optical clock with systematic uncertainty of 3*10^-18

Yao Huang, Baolin Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2021

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、液体窒素で冷却された40Ca+光学時計が、3×10⁻¹⁸の系統的不確かさを達成し、82(5) Kに冷却されたBBRシールドにより、ブラックボディ放射（BBR）シフトを顕著に低減した。低加熱率イオントラップ、改良された冷却レーザー、ハイパーラムゼー法、および高次サーボアルゴリズムを用いることで、運動関連およびレーザー関連のシフトをそれぞれ1×10⁻¹⁸未満および4×10⁻¹⁹未満に抑えることに成功し、液体ヘリウム系とは対照的に実用的でコスト効率の良い代替手段を示した。

ABSTRACT

Here we present a liquid nitrogen-cooled Ca^+ optical clock with an overall systematic uncertainty of 3*10^-18. In contrast with the room-temperature Ca^+ optical clock that we have reported previously, the temperature of the blackbody radiation (BBR) shield in vacuum has been reduced to 82(5) K using liquid nitrogen. An ion trap with a lower heating rate and improved cooling lasers were also introduced. This allows cooling the ion temperature to the Doppler cooling limit during the clock operation, and the systematic uncertainty due to the ion's secular (thermal) motion is reduced to < 1*10^-18. The uncertainty due to the probe laser light shift and the servo error are also reduced to < 1*10^-19 and 4*10^-19 with the hyper-Ramsey method and the higher-order servo algorithm, respectively. By comparing the output frequency of the cryogenic clock to that of a room-temperature clock, the differential BBR shift between the two was measured with a fractional statistical uncertainty of 7*10^-18. The differential BBR shift was used to calculate the static differential polarizability, and it was found in excellent agreement with our previous measurement with a different method. This work suggests that the BBR shift of optical clocks can be well suppressed in a liquid nitrogen environment. This is advantageous because conventional liquid-helium cryogenic systems for optical clocks are more expensive and complicated. Moreover, the proposed system can be used to suppress the BBR shift significantly in other types of optical clocks such as Yb^+, Sr^+, Yb, Sr, etc.

研究の動機と目的

• 40Ca+光学時計の系統的不確かさを10⁻¹⁸未満に抑えることで、時刻精度を向上させること。
• 液体ヘリウムではなく液体窒素を用いて、BBRシールドを82(5) Kに冷却することで、ブラックボディ放射（BBR）シフトを低減すること。
• 改良されたトラップ設計と高度なレーザー制御技術を用いて、イオンの運動およびレーザー光シフトの不確かさを最小限に抑えること。
• 室温時計との差動比較を用いてBBRシフトを検証し、静的な差動極化率を特定すること。
• 液体窒素冷却が、光学時計におけるスケーラブルで低コストな代替手段として実用可能であることを示すこと。

提案手法

• 真空内でのBBRシールドを液体窒素を用いて82(5) Kに冷却し、ブラックボディ放射シフトを低減すること。
• 熱的運動を低減するため、低加熱率のイオントラップを実装すること。
• ドーナツ冷却限界に到達するように改良された冷却レーザーを用い、従来モードに起因する周波数シフトを最小限に抑えること。
• プローブレーザー光シフト不確かさを1×10⁻¹⁹未満に抑えるために、ハイパーラムゼー法を適用すること。
• 高次サーボアルゴリズムを用いて、サーボ誤差を4×10⁻¹⁹に低減すること。
• 冷却時計と室温時計の間の差動BBRシフトを測定し、相対的統計的不確かさが7×10⁻¹⁸であることを確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体窒素冷却は、40Ca+光学時計におけるブラックボディ放射シフトを効果的に低減できるか？
• RQ2 改良されたトラップおよびレーザー系を用いることで、イオンの運動およびレーザー制御の不確かさはどの程度低減できるか？
• RQ3 冷却時計と室温時計との間の差動BBRシフトは、どの程度の精度で測定できるか？
• RQ4 差動BBRシフトから導出された静的差動極化率は、従来の測定結果と整合性があるか？
• RQ5 液体窒素冷却は、光学時計における液体ヘリウム系とは対照的に、実用的でコスト効率の良い代替手段として機能できるか？

主な発見

• 液体窒素で冷却された40Ca+光学時計の総系統的不確かさは3×10⁻¹⁸である。
• シールドを82(5) Kに冷却することでBBRシフトが低減され、熱放射効果が顕著に減少した。
• ドーナツ冷却と低加熱率トラップ設計により、イオン運動に起因する周波数シフトが1×10⁻¹⁸未満にまで低減された。
• ハイパーラムゼー法を用いることで、レーザー光シフト不確かさは1×10⁻¹⁹未満にまで低減された。
• 高次サーボアルゴリズムにより、サーボ誤差は4×10⁻¹⁹にまで低減された。
• 差動BBRシフトは相対的統計的不確かさ7×10⁻¹⁸で測定され、従来の結果と整合性のある静的差動極化率が正確に特定された。