[论文解读] 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 9

一句话总结

该论文提出一种基于超冷 87Rb 原子磁性束缚在芯片表面的紧凑型、芯片级原子钟。通过结合拉比谱技术与脉冲电磁感应透明（EIT）及外差检测，系统实现了投影的分数频率不稳定度为 $1 \times 10^{-13}/\sqrt{\tau}$，残余光移低于 $2 \times 10^{-14}$，在微型化平台上实现了高稳定性和高精度。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可移动、微型化的原子钟，性能接近大型囚禁原子钟。
• 克服现有芯片级原子钟（CSAC）的局限性，如短相干时间及汽泡室中压力相关的频率漂移。
• 通过使用近芯片表面的超冷磁性束缚原子，在紧凑系统中实现高稳定性和高精度。
• 采用新型光移抑制方案，利用脉冲EIT抑制交流斯塔克移位。
• 通过与原子芯片集成及采用CSAC的占空比工作模式，最小化功耗和体积。

提出的方法

• 利用芯片上的双维磁光阱（2D MOT）和磁阱，将约 $10^6$ 个超冷 87Rb 原子在亚微kelvin温度下囚禁。
• 采用拉比分离振荡场方法结合脉冲EIT，对 |F=1, mF=-1⟩ 和 |F=2, mF=+2⟩ 态之间的钟跃迁进行探测。
• 应用外差检测测量100 pW探测光束的光相位移，达到光子噪声极限，实现无噪声增益。
• 通过数值求解密度矩阵方程，优化EIT脉冲持续时间和激光失谐，以实现交流斯塔克移位的抵消。
• 通过工程化共振移位，利用共模激光失谐和脉冲时序，抵消非共振跃迁引起的非共振光移。
• 将系统与紧凑的UHV双MOT腔集成，并通过重新利用冷却/再泵浦激光作为EIT耦合/探测光束，最小化激光数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于芯片的原子钟能否在保持紧凑尺寸的同时，实现与大型囚禁原子钟相当的稳定性？
• RQ2 脉冲EIT结合拉比谱技术能否在囚禁原子系统中有效抵消交流斯塔克移位？
• RQ3 在微型化系统中实现低于 $10^{-14}$ 残余光移的实际工作参数是什么？
• RQ4 如何在可移动原子钟中最小化功耗和占空比？
• RQ5 对外差检测100 pW光学信号能否实现光子噪声极限性能？

主要发现

• 系统实现了投影的分数频率不稳定度为 $1 \times 10^{-13}/\sqrt{\tau}$，主要受限于原子光子噪声。
• 残余交流斯塔克移位估计低于 $2 \times 10^{-14}$，通过数值优化EIT脉冲参数和共模失谐实现。
• 探测时间可达1秒，拉比条纹线宽窄至0.5 Hz——比未囚禁原子窄近一个数量级。
• 外差检测实现了对100 pW光学信号的光子噪声极限测量，达到近乎理想的信噪比性能。
• 通过采用CSAC的占空比工作模式，功耗降低两个数量级，平均功耗仅为峰值功耗的1%。
• 系统的精度受限于优于 $1 \times 10^{-13}$ 的差分Zeeman移位和平均场移位，且无需100%占空比即可保持稳定性能。