Setup and operation of a multi-ion clock based on linear In+/Yb+ crystals

authored by: Tabea Nordmann
supervised by: Tanja Mehlstäubler
Abstract: Die aktuell genausten optischen Atomuhren basieren auf gefangenen und lasergekühlten Atomen oder Ionen. Dabei wird ein schmalbandiger Laser auf einen geeigneten elektronischen Übergang im Atom oder Ion stabilisiert und so Frequenzmessungen mit relativen systematischen Unsicherheiten bis ~10^-18 realisiert. Während Neutralatomuhren viele tausend Atome gleichzeitig nutzen und somit ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis haben, basiert die Mehrzahl der heutigen Ionenuhren auf der Verwendung eines einzelnen Ions, das manchmal mit einem oder zwei weiteren Ionen einer anderen Spezies sympathetisch gekühlt wird. Die exzellente Kontrolle über die Umgebungsbedingungen und die äußeren Einflüsse auf die Energieniveauses des einzelnen Uhrenions sind eine große Stärke dieses Ansatzes. Die lange Mittelungszeit von einigen Wochen um eine systematische Unsicherheit von 10^-18 statistisch aufzulösen ist jedoch ein großer Nachteil, insbesondere für Anwendungen außerhalb des Labors. Aus diesem Grund wird im Forschungsfeld der optischen Ionenuhren aktuell mit verschiedenen Ansätzen an einer Verbesserung der Instabilität geforscht. Die Motivation dieser Arbeit ist, durch die Verwendung von Ionenketten mit mehreren Uhren-Ionen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhöhen und gleichzeitig die exzellente Kontrolle auch für ein Vielteilchensystem zu bewahren. Die Ionenketten bestehen aus 115In+ Uhren-Ionen, die sympathetisch mit 172Yb+ Ionen gekühlt werden. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines experimentellen Aufbaus, der geringe systematische Unsicherheiten und eine simultane nach Ionen aufgelöste Zustandsdetektion beider Spezies ermöglicht, sowie der Betrieb einer Multi-Ionen-Uhr. Das umfasst die Charakterisierung der mit der Ionenfalle verbundenen sytematischen Unsicherheiten und die Optimierung des sympathetischen Kühlens. Das vorgestellte Indiumionenuhr befindet sich am deutschen nationalen Metrologieinstitut,Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), in Braunschweig. Im April 2022 war die Indiumionenuhr an einer internationalen Messkampagne zu Frequenzvergleichen von optischen Uhren (European Metrology project 18SIB05 ROCIT1) beteiligt. Nach Abschluss der noch andauernden Auswertung werden daraus zahlreiche bisher unbekannte Frequenzverhältnisse resultieren. Mit der Inbetriebnahme ist die Indiumionenuhr als drittes optisches Frequenznormal mit einer systematischen Unsicherheit im niedrigen 10^-18-Bereich an der PTB ein wichtiger Bestandteil der Forschungsinfrastruktur für optische Uhren an der PTB und im internationalen Netzwerk der nächsten Jahre.
Organisation(s): QUEST-Leibniz Research School
Type: Doctoral thesis
No. of pages: 185
Publication date: 2023
Publication status: Published
Electronic version(s): https://doi.org/10.15488/13784 (Access: Open)
: Details in the research portal "Research@Leibniz University"

BibTeX

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abstract = "Die aktuell genausten optischen Atomuhren basieren auf gefangenen und lasergek{\"u}hlten Atomen oder Ionen. Dabei wird ein schmalbandiger Laser auf einen geeigneten elektronischen {\"U}bergang im Atom oder Ion stabilisiert und so Frequenzmessungen mit relativen systematischen Unsicherheiten bis ~10^-18 realisiert. W{\"a}hrend Neutralatomuhren viele tausend Atome gleichzeitig nutzen und somit ein gutes Signal-zu-Rausch-Verh{\"a}ltnis haben, basiert die Mehrzahl der heutigen Ionenuhren auf der Verwendung eines einzelnen Ions, das manchmal mit einem oder zwei weiteren Ionen einer anderen Spezies sympathetisch gek{\"u}hlt wird. Die exzellente Kontrolle {\"u}ber die Umgebungsbedingungen und die {\"a}u{\ss}eren Einfl{\"u}sse auf die Energieniveauses des einzelnen Uhrenions sind eine gro{\ss}e St{\"a}rke dieses Ansatzes. Die lange Mittelungszeit von einigen Wochen um eine systematische Unsicherheit von 10^-18 statistisch aufzul{\"o}sen ist jedoch ein gro{\ss}er Nachteil, insbesondere f{\"u}r Anwendungen au{\ss}erhalb des Labors. Aus diesem Grund wird im Forschungsfeld der optischen Ionenuhren aktuell mit verschiedenen Ans{\"a}tzen an einer Verbesserung der Instabilit{\"a}t geforscht. Die Motivation dieser Arbeit ist, durch die Verwendung von Ionenketten mit mehreren Uhren-Ionen das Signal-zu-Rausch-Verh{\"a}ltnis zu erh{\"o}hen und gleichzeitig die exzellente Kontrolle auch f{\"u}r ein Vielteilchensystem zu bewahren. Die Ionenketten bestehen aus 115In+ Uhren-Ionen, die sympathetisch mit 172Yb+ Ionen gek{\"u}hlt werden. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines experimentellen Aufbaus, der geringe systematische Unsicherheiten und eine simultane nach Ionen aufgel{\"o}ste Zustandsdetektion beider Spezies erm{\"o}glicht, sowie der Betrieb einer Multi-Ionen-Uhr. Das umfasst die Charakterisierung der mit der Ionenfalle verbundenen sytematischen Unsicherheiten und die Optimierung des sympathetischen K{\"u}hlens. Das vorgestellte Indiumionenuhr befindet sich am deutschen nationalen Metrologieinstitut,Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), in Braunschweig. Im April 2022 war die Indiumionenuhr an einer internationalen Messkampagne zu Frequenzvergleichen von optischen Uhren (European Metrology project 18SIB05 ROCIT1) beteiligt. Nach Abschluss der noch andauernden Auswertung werden daraus zahlreiche bisher unbekannte Frequenzverh{\"a}ltnisse resultieren. Mit der Inbetriebnahme ist die Indiumionenuhr als drittes optisches Frequenznormal mit einer systematischen Unsicherheit im niedrigen 10^-18-Bereich an der PTB ein wichtiger Bestandteil der Forschungsinfrastruktur f{\"u}r optische Uhren an der PTB und im internationalen Netzwerk der n{\"a}chsten Jahre.",
author = "Tabea Nordmann",
note = "Doctoral thesis",
year = "2023",
doi = "10.15488/13784",
language = "English",
publisher = "Leibniz Universit{\"a}t Hannover",
school = "Leibniz University Hannover",
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