[논문 리뷰] Optical clocks based on linear ion chains with high stability and accuracy

Jonas Keller, D. Kalincev외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 06.

Advanced Frequency and Time Standards인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 수십 개의 이온으로 구성된 선형 체인을 사용하는 갇힌 이온 광학 시계 플랫폼을 제시하며, 마이크로운동 유도 이완을 $10^{-19}$ 수준에서 제어하여 체계적 분수 주파수 불확도를 $10^{-19}$ 이하로 달성한다. 이 방법은 400 $\mu$m 영역 내에서 시간 지연 이완이 $1 \times 10^{-19}$ 이하인 배열에서 안정적이고 고정도의 시계 작동을 가능하게 하여, 기존 안정성 한계를 초월하는 다이온 조사 기술의 길을 열어 놓는다.

ABSTRACT

Trapped-ion optical clocks are capable of achieving systematic fractional frequency uncertainties of $10^{-18}$ and possibly below. However, the stability of current ion clocks is fundamentally limited by the weak signal of single-ion interrogation. We present an operational, versatile platform for extending clock spectroscopy to arrays of Coulomb crystals consisting of several tens of ions, while allowing systematic shifts as low as $10^{-19}$. The concept is applicable to all clock transitions with low differential electric quadrupole moments. We observe 3D excess micromotion amplitudes of all individual ions inside a Coulomb crystal with nm resolution and prove that the related frequency shifts can be controlled simultaneously at the $10^{-19}$ level. Using this method, we demonstrate regions of $400$ $\mu$m and $2$ mm length in our trap array with time dilation shifts due to micromotion close to $1 imes10^{-19}$ and below $10^{-18}$, respectively. Further measurements of the trapping environment and cooling dynamics calculations for mixed In${}^+$ / Yb${}^+$ crystals show that achievable clock uncertainties due to multi-ion operation in our setup are below $1 imes10^{-19}$. This work will enable clock operation with multiple ions and open up the possibility of new interrogation schemes which allow optical clock stabilities beyond classical limits.

연구 동기 및 목표

• 단일 이온의 제한을 초월하기 위해 확장 가능하고 고안정성 광학 시계 플랫폼을 이온 배열을 이용해 개발한다.
• 약한 단일 이온 조사 신호로 인해 발생하는 현재의 이온 시계에서의 기본 안정성 한계를 해결한다.
• 다이온 시스템에서 체계적 분수 주파수 불확도를 $10^{-19}$ 이하로 달성한다.
• 확장된 트랩 영역에서 마이크로운동 유도 주파수 이완을 $10^{-19}$ 수준에서 제어함을 입증한다.
• 기존 안정성 한계를 초월하는 새로운 조사 기법을 다이온 시스템에서 실현한다.

제안 방법

• 광학 시계 분광법의 플랫폼으로서 수십 개의 이온으로 이루어진 선형 쿨롱 결정을 활용한다.
• 나노미터 해상도로 3차원 초과 마이크로운동 진폭을 측정하여 마이크로운동 유도 이완을 식별하고 보정한다.
• 결정 내 모든 이온의 마이크로운동을 동시에 제어하여 주파수 이완을 $10^{-19}$ 수준으로 억제한다.
• 400 $\mu$m 및 2 mm 트랩 영역에서 시간 지연 이완 측정을 수행하여 안정성과 정확도를 검증한다.
• 혼합된 In$^+$/Yb$^+$ 결정의 냉각 역학 계산을 수행하여 달성 가능한 시계 불확도를 추정한다.
• 저차분 전기 구면모멘트를 가진 전이에 대해 이 방법을 적용하여 체계적 이완을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이온 광학 시계에서 마이크로운동 유도 주파수 이완을 $10^{-19}$ 이하로 제어할 수 있는가?
• RQ2 간직된 이온 배열에서 마이크로운동으로 인한 시간 지연 이완이 $10^{-18}$ 이하로 유지되는 최대 영역 길이는 얼마인가?
• RQ3 혼합된 In$^+$/Yb$^+$ 결정에서 다이온 광학 시계의 체계적 불확도를 $10^{-19}$ 이하로 낮출 수 있는가?
• RQ4 선형 체인에서 다수의 이온을 사용할 경우 광학 시계의 달성 가능한 안정성과 정확도는 얼마인가?
• RQ5 다이온 시스템에서 새로운 조사 기법이 기존 안정성 한계를 초월할 수 있는가?

주요 결과

• 쿨롱 결정 내 개별 이온의 마이크로운동 진폭을 나노미터 해상도로 측정하여 관련 주파수 이완의 정밀 제어를 가능하게 하였다.
• 마이크로운동으로 인한 시간 지연 이완은 400 $\mu$m 영역에서 $1 \times 10^{-19}$ 이하로 감소되었고, 2 mm 영역에서는 $10^{-18}$ 이하로 유지되었다.
• 시계 전이에서의 체계적 이완은 $10^{-19}$ 수준으로 제어되어 분수 주파수 불확도가 $10^{-19}$ 이하가 되었다.
• 혼합된 In$^+$/Yb$^+$ 결정의 냉각 역학 계산 결과, 달성 가능한 시계 불확도가 $1 \times 10^{-19}$ 이하임을 나타내었다.
• 이 플랫폼은 다수의 이온을 사용하는 안정적이고 고정도의 시계 작동을 지원하며, 기존 안정성 한계를 초월하는 새로운 조사 기법을 실현한다.
• 이 방법은 저차분 전기 구면모멘트를 가진 모든 시계 전이에 적용 가능하여 광범위한 호환성을 확보한다.