[論文レビュー] A Compact Microchip-Based Atomic Clock Based on Ultracold Trapped Rb Atoms

Daniel Farkas, Alex A. Zozulya+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2009

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、超低温の 87Rb 原子をマイクロチップ表面付近で磁気的に捕らえた、コンactなマイクロチップベースの原子時計を提案する。ラマーシー分光法とパルス状電磁誘導透過（EIT）およびヘテロダイン検出を組み合わせることで、予想される相対周波数不安定度が $1 \times 10^{-13}/\sqrt{\tau}$ に達し、残存光シフトは $2 \times 10^{-14}$ 未満に抑えられ、小型化されたプラットフォームにおいて高い安定性と正確性を実現する。

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.

研究の動機と目的

• 大規模な捕らえられた原子時計に匹敵する性能を備えた、搬送可能な小型原子時計の開発。
• 蒸気セルにおける圧力依存性周波数シフトや短いコherences時間といった、既存のチップスケール原子時計（CSAC）の制限を克服すること。
• マイクロチップに近接した超低温で磁気的に捕らえた原子を用いることで、コンactなシステムで高い安定性と正確性を実現すること。
• パルス状EITを用いた新規な光シフトキャンセレーション方式を実装し、AC スターリングシフトを低減すること。
• CSACと組み合わせたデューティサイクル操作により、原子マイクロチップとの統合によって、消費電力と体積を最小限に抑えること。

提案手法

• マイクロチップ上に配置されたダブルモット（2D MOT）と磁気トラップを用い、10^6 個の超低温の 87Rb 原子をマイクロケルビン未塔の温度で捕らえる。
• ラマーシー法による分離振動場方式とパルス状EITを組み合わせ、|F=1, mF=-1⟩ と |F=2, mF=+2⟩ 状態間の時計遷移をインターオグレートする。
• 100 pW のプローブビームの光学的位相差を光子ノイズ限界で測定するため、ヘテロダイン検出を用い、ノイズのない増幅を実現する。
• AC スターリングシフトのキャンセレーションを最適化するため、EITパルス幅とレーザー周波数オフセットを数値的に密度行列方程式を解いて最適化する。
• 共通モードのレーザー周波数オフセットとパルスタイミングを用いて、非共鳴遷移からの光シフトを、設計された共鳴シフトによってキャンセルする。
• コンパクトなUHVダブル-MOTセルと統合し、冷却／リプルームレーザーをEITカップリング／プローブビームとして再利用することで、レーザー数を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロチップベースの原子時計は、コンパクトなフォルムファクターを維持しながら、大規模な捕らえられた原子時計と同等の安定性を達成できるか？
• RQ2 パルス状EITとラマーシー分光法を組み合わせることで、捕らえられた原子系におけるACスターリングシフトを効果的にキャンセルできるか？
• RQ3 小型化されたシステムで、10^{-14}未満の残存光シフトを達成するための現実的な動作パラメータは何か？
• RQ4 搬送可能な原子時計において、消費電力とデューティサイクルを最小限に抑える方法は何か？
• RQ5 100 pW の光学信号をヘテロダイン検出することで、コンパクトな時計でノイズ限界性能を達成できるか？

主な発見

• システムは、予想される相対周波数不安定度が $1 \times 10^{-13}/\sqrt{\tau}$ に達し、主に原子のショットノイズに制限される。
• 残存ACスターリングシフトは、EITパルスパラメータと共通モード周波数オフセットの数値最適化により、$2 \times 10^{-14}$ 未満に抑えられる。
• 1秒までのインターオグレート時間の実現が可能で、ラマーシー干渉縞の幅は0.5 Hzまで狭くなる—捕らえられていない原子と比べて約10倍狭い。
• ヘテロダイン検出により、100 pW の光学信号のノイズ限界測定が可能となり、ほぼ理想的な信号対雑音比性能を達成する。
• CSACと組み合わせたデューティサイクル操作により、消費電力を2桁低減し、平均消費電力はピーク電力のわずか1%にまで低下する。
• システムの正確性は、微分ゼーマンシフトと平均場シフトにより、$1 \times 10^{-13}$ 未満に制限されるが、100%のデューティサイクルが必須でないため、安定した性能を発揮する。