[논문 리뷰] An $^{27}$Al$^{+}$ quantum-logic clock with systematic uncertainty below $10^{-18}$

Samuel M. Brewer, Jwo-Sy Chen외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 20.

Advanced Frequency and Time Standards인용 수 42

한 줄 요약

27Al+ 양자 논리 시계로 총 시스템적 불확실성 9.4e-19 및 안정도 1.2e-15/√τ를 달성, 25Mg+과의 보조 냉각 및 개선된 포획 설계로 거의 3D 바닥 상태 운동에 도달.

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.

연구 동기 및 목표

• 하위 1e-18의 시스템적 불확실성을 보이는 27Al+ 양자 논리 시계를 선보인다.
• 과도한 미세운동 및 시간 지연과 같은 지배적인 시스템적 편향을 정량화하고 완화한다.
• 거의 바닥 상태 3D 운동 냉각을 가능하게 하는 개선된 포획 설계를 시연한다.
• 참조 Yb 격자 시계에 대한 시계 안정성을 평가한다.
• 기본 상수 및 잠재적 SI 초 정의 로드맵에 대한 시사점을 논의한다.

제안 방법

• 27Al+의 1S0 <-> 3P0 전이의 양자 논리 분광법.
• 동공 트랩된 25Mg+ 이온과의 공-포획 보조 냉각 및 측정.
• 바닥 상태 냉각 시퀀스 및 포획 구동 저하를 통해 EMM 감소.
• 도플러 추적 서보를 이용한 두 개의 상대적인 시계 빔으로 1계 도플러를 상쇄.
• EEM 측정 불확실성을 시프트 예산으로 전달하기 위한 몬테카를로 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 묘사된 포획 및 냉각 향상을 사용하여 27Al+ 양자 논리 시계가 달성할 수 있는 총 부분 주파수 불확실성은 무엇인가?
• RQ2 불확실성을 한정하는 지배적인 시스템적 편향은 무엇이며 이를 어떻게 정량화하고 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 실시간 마이크로모션 보상은 시간 지연 및 도플러 관련 편향에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 시계 안정성은 장시간 평균에서 참조 Yb 격자 시계와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 3D 운동 바닥 상태 근처에서 시계 작동을 지원하여 도플러 편향을 최소화할 수 있는가?

주요 결과

• 총 부분 주파수 편향은 Δν/ν = -9336.0(9.4)×10^-19, 총 시스템적 불확실성은 9.4×10^-19.
• 과도한 미세운동은 편향에 -45.8(5.9)×10^-19를 기여한다.
• 블랙바디 복사는 -30.5(4.2)×10^-19를 기여한다.
• 2차 제만 효과는 -9241.8(3.7)×10^-19를 기여한다.
• 세큘러 모션은 -17.3(2.9)×10^-19를 기여한다.
• 일阶 도플러 및 시계 레이저 Stark 편향은 각각 2.2×10^-19 및 2.0×10^-19의 불확실성 이내로 제약된다.