[논문 리뷰] High precision differential clock comparisons with a multiplexed optical lattice clock

Xin Zheng, Jonathan Dolde외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 24.

Advanced Frequency and Time Standards인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 공유된 시계 레이저를 사용하여 여섯 개의 공간적으로 분리된 스트론티움 원자 군집 간에 동시에 고정밀 차등 비교를 가능하게 하는 다중화된 일차원 광학 격자 시계를 제시한다. 원자-원자 간 공명 시간이 26초에 도달하여 원자-레이저 공명 시간보다 270배 길어짐으로써, $9.7(4)\times 10^{-18}/\sqrt{\tau}$의 차등 안정성과 3.3시간 후에 $8.9(3)\times 10^{-20}$의 분수 불확도를 달성하였으며, 국소 발진기 노이즈의 제한을 초월하여 초정밀 시계 네트워크를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Rapid progress in the precision and accuracy of optical atomic clocks over the last decade has advanced the frontiers of timekeeping, metrology, and quantum science. However, the stabilities of most optical clocks remain limited by the local oscillator rather than the atoms themselves, leaving room for further progress. Here we implement a "multiplexed" one-dimensional optical lattice clock, in which spatially-resolved, movable ensembles of ultra-cold strontium atoms are trapped in the same optical lattice, interrogated simultaneously by a shared clock laser, and read-out in parallel. By performing synchronized Ramsey interrogations of ensemble pairs we observe atom-atom coherence times up to 26 seconds, a 270-fold improvement over the atom-laser coherence time, demonstrate a relative stability of $9.7(4) imes10^{-18}/\sqrtτ$ (where $τ$ is the averaging time in seconds), and reach a fractional uncertainty of $8.9(3) imes 10^{-20}$ after 3.3 hours of averaging. These results demonstrate that applications requiring ultra-high-precision comparisons between optical atomic clocks need not be limited by the stability of the local oscillator. With multiple ensemble pairs, we realize a miniaturized clock network consisting of 6 atom ensembles, resulting in 15 unique pairwise clock comparisons with relative stabilities below $3 imes10^{-17}/\sqrtτ$. Finally, we demonstrate the capability to simultaneously load spatially-resolved, heterogeneous ensemble pairs of all four stable isotopes of strontium in a lattice. The unique capabilities offered by this platform pave the way for future studies of precision isotope shift measurements, spatially resolved characterization of limiting clock systematics, development of clock-based gravitational wave and dark matter detectors, and novel tests of relativity including measurements of the gravitational redshift at sub-centimeter scales.

연구 동기 및 목표

• 다중 원자 군집 간 동시이고 상관된 차등 측정을 가능하게 하여 국소 발진기 노이즈 제한을 극복하는 것.
• 다중화된 광학 격자 플랫폼에서 장기적인 원자-원자 간 공명 시간을 달성하여 양자 프로젝션 노이즈 한계를 초월하는 것.
• 공통 모드 노이즈 제거 기능을 갖춘 소형화된 다중 노드 시계 네트워크를 실현하여 고정밀 차등 비교를 가능하게 하는 것.
• 미래의 기본 물리 실험, 예를 들어 서브 센티미터 수준의 중력 레드시프트 검증과 암흑 물질 탐지 가능성을 열어두는 것.
• 다중 군집 광학 격자 시계에서의 체계적 이완, 예를 들어 차등 밀도 이완을 특성화하고 보완하는 것.

제안 방법

• 이동 가능한 1D 광학 격자를 사용하여 한 개의 장치에서 최대 여섯 개의 공간적으로 분리된 초냉각 스트론티움 원자 군집을 결정적으로 적재한다.
• 단일 공유 시계 레이저 빔이 모든 군집을 동시에 조사함으로써 다중 쌍 간에 동기화된 라마르 스펙트로스코피를 가능하게 한다.
• 흑체 복사, 자장, 격자 빔 변동성과 같은 공통 모드 환경 외란은 공간 대칭성과 공통 경로 기하학을 통해 억제된다.
• 동기화된 라마르 간섭 무늬를 통한 측정을 통해 원자-원자 간 공명 시간을 측정하였으며, 26초의 공명 시간을 관측하여 원자-레이저 공명 시간보다 270배 길어짐을 확인하였다.
• 변동하는 원자 수 차이를 가진 군집 간에 락인 유형의 측정을 수행하고 캘리브레이션된 영상 기울기를 사용하여 차등 밀도 이완을 정량화하였다.
• 공간적으로 변화하는 형광 탐지 효율을 보정하기 위해 사비츠키-골라이 필터를 적용하여 카메라 영상 효율 곡선을 매끄럽게 다듬었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중화된 광학 격자 시계는 원자-레이저 공명 시간보다 훨씬 긴 원자-원자 간 공명 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ2 다중 군집 광학 격자 플랫폼에서 공통 모드 환경 노이즈는 어느 정도 억제될 수 있는가?
• RQ3 공유 레이저와 다중 군집 시계 네트워크에서 도달 가능한 최종 차등 안정성은 무엇인가?
• RQ4 다중 군집 구성에서 격자 트랩 깊이에 따라 차등 밀도 이완은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 모든 여섯 개의 군집 간 동시 비교가 15개의 고유한 쌍 비교를 가능하게 하는 실용적이고 고정밀 시계 네트워크를 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 최대 26초의 원자-원자 간 공명 시간이 관측되었으며, 이는 원자-레이저 공명 시간보다 270배 향상된 결과이다.
• 0.6cm 떨어진 두 군집 간의 차등 안정성이 $9.7(4)\times 10^{-18}/\sqrt{\tau}$에 도달하여 양자 프로젝션 노이즈 한계에 가까워졌다.
• 3.3시간의 평균을 거친 후 분수 불확도는 $8.9(3)\times 10^{-20}$로 측정되어 고정밀 작동을 입증하였다.
• 플랫폼은 $3\times 10^{-17}/\sqrt{\tau}$ 이하의 안정성을 갖는 15개의 고유한 쌍 비교를 지원하며 소형화된 시계 네트워크를 가능하게 하였다.
• 차등 밀도 이완은 측정되었으며, $U^{5/4}$의 스케일링 법칙을 따르며 열기체에 대한 예상되는 트랩 주파수 스케일링을 확인하였다.
• 시스템은 한 개의 격자 안에서 네 가지 안정된 스트론티움 동위원소의 공간적으로 분리된 이질적 쌍을 성공적으로 적재하여 동위원소 이완 측정이 가능해졌다.