[논문 리뷰] A Compact Microchip-Based Atomic Clock Based on Ultracold Trapped Rb Atoms

Daniel Farkas, Alex A. Zozulya외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 4인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 초저온 87Rb 원자를 마이크로칩 표면 근처에서 자기적으로 갇혀 있는 작고 소형화된 원자 시계를 제안한다. 라마르 스펙트로스코피와 펄스형 전자기 유도 투과(이하 EIT) 및 이방향 검출을 조합함으로써, 시스템은 $1 \times 10^{-13}/\sqrt{\tau}$의 예측 가능한 분수 주파수 불안정도를 달성하며 잔류 빛 이완 효과는 $2 \times 10^{-14}$ 이하로 유지되어 소형 플랫폼에서 높은 안정성과 정확도를 실현한다.

ABSTRACT

We propose a compact atomic clock based on ultracold Rb atoms that are magnetically trapped near the surface of an atom microchip. An interrogation scheme that combines electromagnetically-induced transparency (EIT) with Ramsey's method of separated oscillatory fields can achieve atomic shot-noise level performance of 10^{-13}/sqrt(tau) for 10^6 atoms. The EIT signal can be detected with a heterodyne technique that provides noiseless gain; with this technique the optical phase shift of a 100 pW probe beam can be detected at the photon shot-noise level. Numerical calculations of the density matrix equations are used to identify realistic operating parameters at which AC Stark shifts are eliminated. By considering fluctuations in these parameters, we estimate that AC Stark shifts can be canceled to a level better than 2*10^{-14}. An overview of the apparatus is presented with estimates of duty cycle and power consumption.

연구 동기 및 목표

• 대규모 트랩 원자 시계 수준의 성능을 갖추면서도 이동 가능한 소형 원자 시계를 개발하기 위해.
• 기존 마이크로칩 원자 시계(CSAC)의 한계, 즉 짧은 공명 시간과 기체 셀 내의 압력에 의존하는 주파수 이완을 극복하기 위해.
• 마이크로칩 근처에 초저온으로 갇힌 원자들을 사용함으로써 소형화된 시스템에서 높은 안정성과 정확도를 실현하기 위해.
• 펄스형 EIT를 활용한 새로운 빛 이완 보정 기법을 구현하여 교류 스타크 이완을 억제하기 위해.
• CSAC와의 도 duty-cycled 작동 방식을 통해 원자 마이크로칩과의 통합을 통해 전력 소모와 부피를 최소화하기 위해.

제안 방법

• 마이크로칩 상에서 이중 모드(2D MOT)와 자기 트랩을 사용하여 10^6개의 초저온 87Rb 원자를 마이크로켈빈 이하의 온도에서 갇는다.
• 라마르의 분리된 고주파장 간섭 기법과 펄스형 EIT를 조합하여 |F=1, mF=-1⟩ 및 |F=2, mF=+2⟩ 상태 사이의 시계 전이를 조사한다.
• 광자 쇼트노이즈 수준에서 100 pW의 프로브 레이저 빛의 위상 이완을 측정하기 위해 이방향 검출을 적용함으로써 노이즈 없는 이득을 실현한다.
• AC 스타크 이완 보정을 위해 EIT 펄스 지속시간과 레이저 떨어진 정도를 최적화하기 위해 밀도 행렬 방정식을 수치적으로 해결한다.
• 공통 모드 레이저 떨어진 정도와 펄스 타이밍을 사용하여 비공명 전이에서 유도된 비공명 빛 이완을 공학적으로 공명 이완으로 보정한다.
• 작은 진공 환경을 갖춘 UHV 이중-MOT 셀과 통합하고, 냉각/재펌 레이저를 EIT 커플링/프로브 빔으로 재사용함으로써 레이저 수를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로칩 기반 원자 시계가 소형화된 구조를 유지하면서도 대규모 트랩 원자 시계 수준의 안정성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 펄스형 EIT와 라마르 스펙트로스코피의 조합이 트랩 원자 시스템에서 AC 스타크 이완을 효과적으로 보정할 수 있는가?
• RQ3 소형화된 시스템에서 잔류 빛 이완을 $10^{-14}$ 이하로 유지하기 위한 실용적인 작동 조건은 무엇인가?
• RQ4 이동 가능한 원자 시계에서 전력 소모와 도킹 주기(Duty cycle)를 최소화할 수 있는가?
• RQ5 100 pW 광신호의 이방향 검출이 소형 시계에서 쇼트노이즈 한계 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 원자 쇼트노이즈에 의해 주로 제한되는 $1 \times 10^{-13}/\sqrt{\tau}$의 예측 가능한 분수 주파수 불안정도를 달성한다.
• 잔류 AC 스타크 이완은 EIT 펄스 파arameter와 공통 모드 떨어진 정도의 수치적 최적화를 통해 $2 \times 10^{-14}$ 이하로 추정된다.
• 조사를 위한 시간이 최대 1초까지 가능하며, 이로 인해 라마르 프리징의 반폭이 0.5 Hz로 매우 좁아져 트랩되지 않은 원자보다 거의 한 계단 더 좁아진다.
• 이방향 검출은 100 pW 광신호의 쇼트노이즈 한계 측정을 가능하게 하여 거의 이상적인 신호 대 잡음 성능을 달성한다.
• CSAC와의 도킹 주기 작동 방식을 통해 전력 소모를 두 배수 감소시켜 최대 전력의 1% 수준의 평균 전력 소모를 달성한다.
• 시스템의 정확도는 차별 Zeeman 이완과 평균장 이완에 의해 $1 \times 10^{-13}$ 이내로 제한되며, 100% 도킹 주기 필요 없이도 안정된 성능을 유지할 수 있다.