[論文レビュー] An $^{27}$Al$^{+}$ quantum-logic clock with systematic uncertainty below $10^{-18}$

Samuel M. Brewer, Jwo-Sy Chen+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2019

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 42

ひとこと要約

27Al+量子論理時計が総合系統的不確かさ9.4e-19、安定性1.2e-15/√τを示し、25Mg+での同 sympathetic coolingと改良されたトラップ設計により3D基底状態運動にほぼ到達する。

ABSTRACT

We describe an optical atomic clock based on quantum-logic spectroscopy of the $^1$S$_0$ $\leftrightarrow$ $^3$P$_0$ transition in $^{27}$Al$^{+}$ with a systematic uncertainty of ${9.4 imes 10^{-19}}$ and a frequency stability of ${1.2 imes10^{-15}/\sqrtτ}$. A $^{25}$Mg$^{+}$ ion is simultaneously trapped with the $^{27}$Al$^{+}$ ion and used for sympathetic cooling and state readout. Improvements in a new trap have led to reduced secular motion heating, compared to previous $^{27}$Al$^{+}$ clocks, enabling clock operation with ion secular motion near the three-dimensional ground state. Operating the clock with a lower trap drive frequency has reduced excess micromotion compared to previous $^{27}$Al$^{+}$ clocks. Both of these improvements have led to a reduced time-dilation shift uncertainty. Other systematic uncertainties including those due to blackbody radiation and the second-order Zeeman effect have also been reduced.

研究の動機と目的

• 27Al+量子論理時計をサブ1e-18の総括的不確かさで示す。
• 過剰micromotionと時間伸長のような支配的な系統シフトを定量化し低減する。
• 基底状態3D運動冷却を実現する改善されたトラップ設計を実証する。
• 基準となるYb格子時計に対する時計の安定性を特徴付ける。
• 基本定数および潜在的SI秒再定義ロードマップへの示唆を議論する。

提案手法

• 27Al+の1S0 <-> 3P0 遷移の量子論理分光。
• 共捕捉された25Mg+イオンを用いる共鳴冷却と読出し。
• 基底状態冷却シーケンスとトラップ駆動の低減によるEMMの低減。
• ドップラー追従サーボによる1次ドップラーを打ち消す2つの反対向き時計ビーム。
• Monte-Carlo解析によるEMM測定不確かさをシフト予算へ伝播。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 記述されたトラップと冷却強化を用いた27Al+量子論理時計で達成可能な総体分周周波数不確かさはいくらか。
• RQ2 不確かさを制限する支配的な系統シフトは何で、どのように定量化・低減できるか。
• RQ3 リアルタイムのミクロ運動補償は時間歪みとドップラ関連シフトにどのように影響するか。
• RQ4 長期平均化時間における時計の安定性は基準のYb格子時計とどの程度比較されるか。
• RQ5 3D運動基底状態に近い動作をサポートする設計はドップラーシフトを最小化できるか。

主な発見

• 総分周周波数シフトは Δν/ν = -9336.0(9.4)×10^-19、総系統的不確かさは 9.4×10^-19。
• 過剰ミクロ運動はシフトに -45.8(5.9)×10^-19を与える。
• 黒体放射は -30.5(4.2)×10^-19を与える。
• 二次ゼーマン効果は -9241.8(3.7)×10^-19を与える。
• セキュラー運動は -17.3(2.9)×10^-19を与える。
• 一次ドップラーおよび時計レーザーのStarkシフトは、それぞれ不確かさ2.2×10^-19と2.0×10^-19の範囲でほぼゼロに制約される。