[论文解读] Optical clocks based on linear ion chains with high stability and accuracy

Jonas Keller, D. Kalincev+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2017

Advanced Frequency and Time Standards被引用 5

一句话总结

该论文提出一种基于数十个离子线性链的囚禁离子光学钟平台，通过将微运动引起的频移控制在$10^{-19}$量级，实现了系统性相对频率不确定度低于$10^{-19}$。该方法在400 $\mu$m范围内的阵列中实现了时间膨胀频移低于$1 \times 10^{-19}$的稳定、高精度钟运行，为突破经典稳定性极限的多离子探测开辟了道路。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、高稳定性的光学钟平台，利用囚禁离子阵列以超越单离子系统的局限。
• 解决当前离子钟因单离子探测信号微弱而导致的根本稳定性极限问题。
• 在多离子系统中实现系统性相对频率不确定度低于$10^{-19}$。
• 在扩展的阱区域中实现对微运动引起的频移控制在$10^{-19}$量级。
• 实现超越经典稳定性极限的多离子系统新探测方案。

提出的方法

• 利用数十个离子的线性库仑晶体作为光学钟光谱学的平台。
• 采用纳米级分辨率的三维过量微运动振幅测量，识别并校正微运动引起的频移。
• 对晶体中所有离子的微运动实施同步控制，将频移抑制至$10^{-19}$量级。
• 通过在400 $\mu$m和2 mm阱区域测量时间膨胀频移，验证稳定性和准确性。
• 对混合In$^+$/Yb$^+$晶体进行冷却动力学计算，估算可实现的钟不确定度。
• 将该方法应用于具有低差分电四极矩的钟跃迁，确保系统频移最小化。

实验结果

研究问题

• RQ1 多离子光学钟中的微运动引起的频移能否控制在$10^{-19}$以下？
• RQ2 在囚禁离子阵列中，微运动引起的时间膨胀频移保持在$10^{-18}$以下的最大区域长度是多少？
• RQ3 在混合In$^+$/Yb$^+$晶体中，多离子光学钟的系统性不确定度能否降低至$10^{-19}$以下？
• RQ4 在直线链中使用多个离子运行时，光学钟可实现的稳定性和准确性如何？
• RQ5 多离子系统中的新探测方案能否超越经典稳定性极限？

主要发现

• 以纳米级分辨率测量了库仑晶体中单个离子的微运动振幅，实现了对相关频移的精确控制。
• 微运动引起的时间膨胀频移在400 $\mu$m区域内降低至$1 \times 10^{-19}$，在2 mm区域内低于$10^{-18}$。
• 钟跃迁的系统性频移被控制在$10^{-19}$量级，实现了相对频率不确定度低于$10^{-19}$。
• 混合In$^+$/Yb$^+$晶体的冷却动力学计算表明，可实现的钟不确定度低于$1 \times 10^{-19}$。
• 该平台支持多离子的稳定、高精度钟运行，实现了超越经典稳定性极限的新探测方案。
• 该方法适用于所有具有低差分电四极矩的钟跃迁，确保广泛兼容性。