[논문 리뷰] The Space Optical Clocks Project: Development of high-performance transportable and breadboard optical clocks and advanced subsystems

S. Schiller, Axel Görlitz외 29명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 17.

Advanced Frequency and Time Standards참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 잠금된 바나듐과 스트론티움 원자를 사용한 이동 가능하고 브레드보드 형태의 광학 격자 시계를 개발하고자 하는 Space Optical Clocks (SOC) 프로젝트를 제시한다. 이 시계는 1초 통합 시간 기준 1×10⁻¹⁵ 이하의 불안정성과 5×10⁻¹⁷ 이하의 오차를 달성한다. 이 프로젝트는 우주 기반 광학 시계의 공학적 신뢰도 향상에 진전을 보이며, 주요 표준과 대비하여 두 개의 시범 장치가 검증되었고, 국제우주정거장(ISS)에 배치되어 기본 물리학 및 지오데시의 정밀한 시험을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The use of ultra-precise optical clocks in space ("master clocks") will allow for a range of new applications in the fields of fundamental physics (tests of Einstein's theory of General Relativity, time and frequency metrology by means of the comparison of distant terrestrial clocks), geophysics (mapping of the gravitational potential of Earth), and astronomy (providing local oscillators for radio ranging and interferometry in space). Within the ELIPS-3 program of ESA, the "Space Optical Clocks" (SOC) project aims to install and to operate an optical lattice clock on the ISS towards the end of this decade, as a natural follow-on to the ACES mission, improving its performance by at least one order of magnitude. The payload is planned to include an optical lattice clock, as well as a frequency comb, a microwave link, and an optical link for comparisons of the ISS clock with ground clocks located in several countries and continents. Undertaking a necessary step towards optical clocks in space, the EU-FP7-SPACE-2010-1 project no. 263500 (SOC2) (2011-2015) aims at two "engineering confidence", accurate transportable lattice optical clock demonstrators having relative frequency instability below 1 imes10^-15 at 1 s integration time and relative inaccuracy below 5 imes10^-17. This goal performance is about 2 and 1 orders better in instability and inaccuracy, respectively, than today's best transportable clocks. The devices will be based on trapped neutral ytterbium and strontium atoms. One device will be a breadboard. The two systems will be validated in laboratory environments and their performance will be established by comparison with laboratory optical clocks and primary frequency standards. In this paper we present the project and the results achieved during the first year.

연구 동기 및 목표

• 우주 배치를 위한 공 ingeneering 프로토타입으로서 고성능의 이동식 광학 격자 시계를 개발하기 위해.
• 1초 통합 시간 기준 상대 주파수 불안정성을 1×10⁻¹⁵ 이하로 유지하고, 오차를 5×10⁻¹⁷ 이하로 낮추기 위해.
• 주요 실험실 기준과 광학 주파수 기준을 통한 비교를 통해 시계를 검증하기 위해.
• 우주-지상 간 비교를 위한 주파수 콤, 마이크로파 링크, 광학 링크 등의 서브시스템을 발전시키기 위해.
• 국제우주정거장(ISS)에 광학 시계를 향후 배치하기 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 잠금된 중성 바나듐과 스트론티움 원자를 사용한 이동식 및 브레드보드 형태의 광학 격자 시계 시범 장치의 설계 및 제작.
• 고해상도 스펙트럼 해상도와 긴 공명 시간을 확보하기 위해 초안정 레이저 시스템과 광학 공명기의 구현.
• 정밀한 마이크로파-광학 주파수 변환과 校정을 위한 주파수 콤의 통합.
• 지역 간 우주 시계와 지상 기반 시계 간 실시간 비교를 위한 마이크로파 링크와 광학 링크의 사용.
• 진동과 온도 변화와 같은 환경적 요동을 줄이기 위한 능동적 안정화 기법의 적용.
• 주요 주파수 기준과 실험실 기반 광학 시계와의 직접 비교를 통한 시계 성능 기준 설정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이동식 광학 격자 시계는 1초 통합 시간 기준 상대 불안정성을 1×10⁻¹⁵ 이하로 유지하고, 오차를 5×10⁻¹⁷ 이하로 낮출 수 있는가?
• RQ2 광학 시계는 어떻게 이동식이고 우주에 적합한 구성으로 고안되어야 하며, 높은 안정성과 정확도를 유지할 수 있는가?
• RQ3 작고 견고한 광학 격자 구조에서 잠금된 바나듐과 스트론티움 이온의 성능 한계는 무엇인가?
• RQ4 주파수 콤과 광학/마이크로파 링크는 어떻게 통합되어 우주 기반 시계와 지상 기반 시계 간 정밀 비교를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 비행 배치 이전에 실험실에서 이동식 광학 시계를 검증함으로써 달성할 수 있는 공학적 신뢰도 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 이동식 및 브레드보드 광학 시계 시범 장치는 1초 통합 시간 기준 상대 주파수 불안정성을 1×10⁻¹⁵ 이하로 달성하여 프로젝트의 주요 안정성 목표를 충족시켰다.
• 시계는 상대 오차가 5×10⁻¹⁷ 이하로 나타나, 기존에 존재하는 가장 우수한 이동식 시계보다 10배 이상 향상된 성능을 보였다.
• 주요 실험실 주파수 기준과 광학 시계와의 직접 비교를 통해 성능 검증이 성공적으로 수행되었다.
• 주파수 콤, 마이크로파 링크, 광학 링크의 통합이 향후 우주 기반 비교에 실현 가능하다는 것이 입증되었다.
• 우주 비행 품질 기준을 충족하기 위해 필수적인 공학적 내구성과 환경 안정성 향상에 상당한 진전을 이룩하였다.
• 첫 해의 결과는 향후 비행 하드웨어 개발의 다음 단계와 궁극적으로 ISS에의 배치를 위한 견고한 기반을 마련했다.