[논문 리뷰] A liquid nitrogen-cooled Ca^+ optical clock with systematic uncertainty of 3*10^-18

Yao Huang, Baolin Zhang외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 16.

Advanced Frequency and Time Standards인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 액체 질소 냉각 40Ca+ 광학 시계를 제시하여 체계적 불확도를 3×10⁻¹⁸로 달성하였으며, 블랙바디 복사(BBR) 이완을 줄이기 위해 BBR 차폐체를 82(5) K로 냉각함으로써 뚜렷한 개선을 이룩하였다. 저자들은 저열 방출률 이온 트랩, 향상된 레이저 쿨링 장치, 하이퍼-람버 방법, 고차수 서보 알고리즘을 활용하여 운동 및 레이저 관련 이완을 각각 1×10⁻¹⁸ 이하 및 4×10⁻¹⁹ 이하로 억제하였으며, 액체 헬륨 시스템에 비해 실용적이고 비용 효율적인 대안을 제시하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 40Ca+ 광학 시계의 체계적 불확도를 10⁻¹⁸ 이하로 낮춰 시간 측정 정밀도를 향상시키기.
• 액체 헬륨 대신 액체 질소를 사용하여 BBR 차폐체를 82(5) K로 냉각함으로써 블랙바디 복사(BBR) 이완을 억제하기.
• 향상된 트랩 설계와 고급 레이저 제어 기술을 통해 이온 운동과 레이저 빛 이완 불확도를 최소화하기.
• 실온 시계와의 차등 비교를 통해 BBR 이완 측정을 검증하고 정적 차등 분극화율을 결정하기.
• 액체 질소 냉각이 광학 시계에서 확장 가능하고 저비용 대체 수단으로서의 실현 가능성을 입증하기.

제안 방법

• 진공 상태에서 액체 질소를 사용해 BBR 차폐체를 82(5) K로 냉각하여 블랙바디 복사 이완을 억제하기.
• 열 방출률이 낮은 이온 트랩을 도입하여 40Ca+ 이온의 열 운동을 감소시키기.
• 향상된 냉각 레이저를 사용해 도플러 냉각 한계에 도달함으로써, 정규 운동 유도 주파수 이완을 최소화하기.
• 초기 주파수 이완 불확도를 1×10⁻¹⁹ 이하로 줄이기 위해 하이퍼-람버 방법을 적용하기.
• 고차수 서보 알고리즘을 활용해 서보 오차를 4×10⁻¹⁹ 이하로 감소시키기.
• 냉각된 시계와 실온 시계 간의 차등 BBR 이완을 측정하여 분수 통계 불확도 7×10⁻¹⁸을 확보하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체 질소 냉각이 40Ca+ 광학 시계에서 블랙바디 복사 이완을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ2 향상된 트랩과 레이저 시스템을 사용할 경우 이온 운동과 레이저 제어 불확도는 어느 정도까지 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 냉각된 시계와 실온 시계 간의 차등 BBR 이완은 어느 정도 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ4 차등 BBR 이완에서 유도된 정적 차등 분극화율은 이전 측정 결과와 일치하는가?
• RQ5 액체 질소 냉각이 광학 시계에서 액체 헬륨 시스템에 비해 실용적이고 비용 효율적인 대체 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• 액체 질소 냉각 40Ca+ 광학 시계의 총 체계적 불확도는 3×10⁻¹⁸이다.
• 차폐체를 82(5) K로 냉각함으로써 BBR 이완이 억제되어 열복사 영향이 뚜렷이 감소하였다.
• 도플러 냉각과 저열 방출률 트랩 설계를 통해 이온 운동 유도 주파수 이완이 1×10⁻¹⁸ 이하로 감소하였다.
• 하이퍼-람버 방법을 사용함으로써 레이저 빛 이완 불확도가 1×10⁻¹⁹ 이하로 감소하였다.
• 고차수 서보 알고리즘을 통해 서보 오차가 4×10⁻¹⁹ 이하로 감소하였다.
• 차등 BBR 이완은 분수 통계 불확도 7×10⁻¹⁸로 측정되었으며, 이는 이전 결과와 일치하는 정적 차등 분극화율의 정밀한 결정을 가능케 하였다.