[论文解读] Seconds-scale coherence in a tweezer-array optical clock

Matthew A. Norcia, Aaron W. Young+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2019

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 45被引用 30

一句话总结

该论文通过使用光镊阵列捕获单个锶原子，实现了秒级相干性，利用重复探测实现了3.4秒的相干时间与96%的占空比。该平台结合了单粒子控制与集体平均，实现了$4.7 \times 10^{-16}(\tau/s)^{-1/2}$的频率稳定度，使光镊阵列成为高精度计量与量子信息领域可扩展的平台。

ABSTRACT

Optical clocks based on atoms and ions achieve exceptional precision and accuracy, with applications to relativistic geodesy, tests of relativity, and searches for dark matter. Achieving such performance requires balancing competing desirable features, including a high particle number, isolation of atoms from collisions, insensitivity to motional effects, and high duty-cycle operation. Here we demonstrate a new platform based on arrays of ultracold strontium atoms confined within optical tweezers that realizes a novel combination of these features by providing a scalable platform for isolated atoms that can be interrogated multiple times. With this tweezer-array clock, we achieve greater than 3 second coherence times and record duty cycles up to 96%, as well as stability commensurate with leading platforms. By using optical tweezer arrays --- a proven platform for the controlled creation of entanglement through microscopic control --- this work further promises a new path toward combining entanglement enhanced sensitivities with the most precise optical clock transitions.

研究动机与目标

• 通过结合单离子钟与光晶格钟的优势，开发一种用于高精度光学频率计量的可扩展平台。
• 在使用光镊实现个体控制的中性原子系统中，实现长相干时间。
• 通过高占空比的原子集合探测，减少激光噪声混叠并提升频率稳定度。
• 探索在受控阵列中结合纠缠增强灵敏度与高相干光学钟跃迁的可行性。
• 评估该光镊平台特有的系统性位移，特别是对玻色型88Sr原子的影响，以确保在$10^{-17}$量级的准确度。

提出的方法

• 利用高数值孔径物镜在二维光镊阵列中捕获单个88Sr原子，形成紧密约束的势阱。
• 在魔幻波长附近运行，以最小化1S0–3P0钟跃迁的差分光移，确保对局部光强的低敏感性。
• 实施重复成像技术：每次探测后，原子被重新泵浦至基态并重新加载至光镊中，以进行后续测量。
• 采用拉比光谱法，利用200E_R深光镊势阱测量相干时间，通过拉比振荡信号的条纹可见度确定。
• 应用窄线拉比光谱法，使用傅里叶受限线宽（450(20) mHz）表征跃迁并确认相干性。
• 通过荧光成像实现非破坏性探测，监测每次探测脉冲后3P0态的布居数，从而实现对同一集合的重复探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 光镊阵列能否在受控的中性原子阵列中实现秒级相干时间的光学钟跃迁？
• RQ2 对同一原子集合进行重复探测在多大程度上能提高占空比并减少激光噪声混叠？
• RQ3 基于光镊的光学钟可实现的频率稳定度是多少？与当前领先平台相比表现如何？
• RQ4 系统性位移——特别是由探测光强、磁场和偏振不均匀性引起的位移——如何影响钟的准确度？
• RQ5 光镊中微观控制与高粒子数的结合能否同时降低量子投影噪声并增强相干性？

主要发现

• 该平台在200E_R深光镊中通过拉比光谱法实现了3.4(4)秒的相干时间，证明了光学钟跃迁的秒级稳定性。
• 单个原子集合实现了高达96%的占空比重复探测，显著减少了死时间并缓解了激光噪声混叠。
• 频率稳定度达到$4.7 \times 10^{-16}(\tau/s)^{-1/2}$，与最先进的光晶格钟和离子阱钟性能相当。
• 窄线拉比光谱测得傅里叶受限线宽为450(20) mHz，探测时间为1.5秒，证实了高光谱分辨率与相干性。
• 使用玻色型88Sr原子未影响相干性，系统性位移——包括二阶塞曼位移与斯塔克位移——被控制在$10^{-17}$量级，与其它领先平台相当。
• 该平台可实现大规模原子集合（潜在达500个或以上原子）的可扩展控制，有望通过降低量子投影噪声并保持低死时间，突破当前稳定度极限。