[論文レビュー] Optical clocks based on linear ion chains with high stability and accuracy

Jonas Keller, D. Kalincev+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2017

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、数十個のイオンで構成される線形鎖を用いた捕獲イオン光クロックプラットフォームを提示し、マイクロムーションに起因するシフトを10^{-19}レベルで制御することで、系統的相対周波数不確かさが10^{-19}未満となることを達成した。この手法により、400 μmの領域において時間歪みシフトが1 × 10^{-19}未満となるように安定で高精度なクロック動作が可能となり、古典的安定限界を超えるマルチイオンの干渉技術の実現に道を開く。

ABSTRACT

Trapped-ion optical clocks are capable of achieving systematic fractional frequency uncertainties of $10^{-18}$ and possibly below. However, the stability of current ion clocks is fundamentally limited by the weak signal of single-ion interrogation. We present an operational, versatile platform for extending clock spectroscopy to arrays of Coulomb crystals consisting of several tens of ions, while allowing systematic shifts as low as $10^{-19}$. The concept is applicable to all clock transitions with low differential electric quadrupole moments. We observe 3D excess micromotion amplitudes of all individual ions inside a Coulomb crystal with nm resolution and prove that the related frequency shifts can be controlled simultaneously at the $10^{-19}$ level. Using this method, we demonstrate regions of $400$ $\mu$m and $2$ mm length in our trap array with time dilation shifts due to micromotion close to $1 imes10^{-19}$ and below $10^{-18}$, respectively. Further measurements of the trapping environment and cooling dynamics calculations for mixed In${}^+$ / Yb${}^+$ crystals show that achievable clock uncertainties due to multi-ion operation in our setup are below $1 imes10^{-19}$. This work will enable clock operation with multiple ions and open up the possibility of new interrogation schemes which allow optical clock stabilities beyond classical limits.

研究の動機と目的

• スケーラブルで高安定性な光クロックプラットフォームの開発を目的とし、単一イオンの制限を超える。
• 現在のイオンクロックに見られる弱い単一イオン干渉信号に起因する基本的安定限界の解決。
• マルチイオン系において、系統的相対周波数不確かさを10^{-19}未満に達成すること。
• 広いトラップ領域にわたり、マイクロムーションに起因する周波数シフトを10^{-19}レベルで制御すること。
• 古典的安定限界を超える新たな干渉方式をマルチイオン系で実現すること。

提案手法

• 数十個のイオンで構成される線形クーロン結晶を、光クロック分光のプラットフォームとして用いる。
• ナノメーター分解能を有する3次元過剰マイクロムーション振幅測定を用いて、マイクロムーションに起因するシフトを特定・補正する。
• 結晶内の全イオンに対して同時にマイクロムーションを制御し、周波数シフトを10^{-19}レベルに抑制する。
• 400 μmおよび2 mmのトラップ領域における時間歪みシフト測定を実施し、安定性および精度を検証する。
• 混合In^+/Yb^+結晶の冷却ダイナミクス計算を実施し、達成可能なクロック不確かさを推定する。
• 微小な電気四極子モーメント差を有する遷移を用いることで、最小限の系統的シフトを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチイオン光クロックにおけるマイクロムーションに起因する周波数シフトを10^{-19}未満に制御可能か？
• RQ2 捕獲イオンアレイにおいて、マイクロムーションに起因する時間歪みシフトが10^{-18}未満に保たれる最大の領域長はどの程度か？
• RQ3 混合In^+/Yb^+結晶における系統的不確かさを10^{-19}未満に低減可能か？
• RQ4 線形鎖に複数のイオンを用いて動作させる場合、光学クロックの達成可能な安定性および精度はどの程度か？
• RQ5 マルチイオン系における新たな干渉方式は、古典的安定限界を超えることができるか？

主な発見

• クーロン結晶内の個々のイオンのマイクロムーション振幅をナノメーター分解能で測定し、関連する周波数シフトの精密制御を可能にした。
• マイクロムーションに起因する時間歪みシフトは、400 μmの領域で1 × 10^{-19}未満に、2 mmの領域では10^{-18}未満にまで低減された。
• クロック遷移における系統的シフトは10^{-19}レベルに制御され、相対周波数不確かさが10^{-19}未満となった。
• 混合In^+/Yb^+結晶の冷却ダイナミクス計算から、達成可能なクロック不確かさが1 × 10^{-19}未満であると示された。
• 本プラットフォームは、複数のイオンを用いた安定で高精度なクロック動作を可能とし、古典的安定限界を超える新たな干渉方式の実現を可能にした。
• 本手法は、微小な電気四極子モーメント差を有するすべてのクロック遷移に適用可能であり、広範な適合性を有する。