Reloj óptico de iones de 40Ca+ enfriado con nitrógeno líquido con una incertidumbre sistemática de 4.4×10^{-19}

Área de la Ciencia:

• Física Atómica
• Metrología Cuántica
• Relojes Ópticos

Sus antecedentes:

• Los relojes atómicos ópticos son cruciales para la física fundamental y la metrología.
• Los relojes ópticos de iones atrapados enfrentan desafíos por el ruido ambiental y las incertidumbres sistemáticas.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar un reloj óptico de iones individuales de alta precisión basado en el ion 40Ca+.
• Minimizar las incertidumbres sistemáticas, particularmente las debidas a la radiación de cuerpo negro y los desplazamientos Doppler.
• Investigar los beneficios de un entorno criogénico para los relojes de iones atrapados.

Principales métodos:

• Se utilizó la transición 4S_{1/2}→3D_{5/2} del ion 40Ca+.
• El reloj se operó en un entorno criogénico de nitrógeno líquido.
• Se implementó una evaluación refinada de la temperatura y técnicas de enfriamiento de subbandas 3D.
• Se determinó con precisión el coeficiente de Zeeman promedio.

Principales resultados:

• Se logró una incertidumbre sistemática total de 4.4×10^{-19}.
• Se redujo la incertidumbre de frecuencia debida a la radiación de cuerpo negro y al desplazamiento Doppler de segundo orden.
• Se redujo significativamente la incertidumbre del desplazamiento cuadrático de Zeeman con un coeficiente de Zeeman determinado de 14.345(15) Hz/mT².
• Se observó la tasa de calentamiento más baja reportada en relojes ópticos de iones atrapados debido al ruido del campo eléctrico ambiental.

Conclusiones:

• El reloj óptico de iones 40Ca+ en un entorno criogénico demuestra una precisión excepcional.
• La operación criogénica y el enfriamiento avanzado mitigan significativamente los errores sistemáticos.
• Este trabajo establece un nuevo punto de referencia para el rendimiento de los relojes ópticos de iones atrapados.