高稳定性单离子时钟,系统不确定性为5.5×10^{-19}

科学领域:

• 原子物理 原子物理
• 量子计算是一种量子计算.
• 计量学 计量学 计量学

背景情况:

• 原子钟对于科学研究和技术至关重要.
• 以前的离子 (Al+) 时钟面临着稳定性和系统性不确定性的限制.
• 量子逻辑光谱学为增强原子钟性能提供了一条途径.

研究的目的:

• 开发一个单离子光学原子钟,提高分数频率的不确定性和稳定性.
• 为了利用量子逻辑光谱来进行高精度测量 ^{27}Al^{+}时钟过渡.
• 通过改进实验设计和测量来减少系统性不确定性.

主要方法:

• 在单个^{27}Al^{+}离子上利用了量子逻辑光谱学.
• 采用共感冷却和读取,使用一个cotrapped ^{25}Mg^{+}离子.
• 实现了激光稳定转移从一个遥远的冷腔通过3.6公里的光纤连接.
• 改进了离子陷设计以最大限度地减少微运动,并采用了新的真空系统以减少碰撞转移.
• 进行了对磁场方向敏感的测量,以消除与方向相关的系统不确定性.

主要成果:

• 获得了5.5×10^{-19} 的分数频率不确定性.
• 证明了3.5×10^{-16}/sqrt[τ/s]的分数频率稳定性.
• 与之前的 ^{27}Al^{+} 时钟相比,由于1秒的拉比探针持续时间,时钟不稳定性减少了三倍.
• 通过减少微运动和碰撞转移,降低了系统不确定性.
• 消除了RF离子陷和磁场方向的系统不确定性.

结论:

• 开发的单离子光学原子钟代表了精确计时的重大进步.
• 采用的技术,包括激光稳定转移和改进的实验设计,为未来超精确的原子钟铺平了道路.
• 这项工作有助于对原子系统的基本理解及其在计量学中的应用.