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系统不确定度为3×10⁻¹⁸的单离子原子钟

Single-Ion Atomic Clock with 3×10(-18) Systematic Uncertainty.

作者信息

Huntemann N, Sanner C, Lipphardt B, Tamm Chr, Peik E

机构信息

Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig, Germany.

出版信息

Phys Rev Lett. 2016 Feb 12;116(6):063001. doi: 10.1103/PhysRevLett.116.063001. Epub 2016 Feb 8.

DOI:10.1103/PhysRevLett.116.063001
PMID:26918984
Abstract

We experimentally investigate an optical frequency standard based on the (2)S1/2(F=0)→(2)F7/2(F=3) electric octupole (E3) transition of a single trapped (171)Yb+ ion. For the spectroscopy of this strongly forbidden transition, we utilize a Ramsey-type excitation scheme that provides immunity to probe-induced frequency shifts. The cancellation of these shifts is controlled by interleaved single-pulse Rabi spectroscopy, which reduces the related relative frequency uncertainty to 1.1×10(-18). To determine the frequency shift due to thermal radiation emitted by the ion's environment, we measure the static scalar differential polarizability of the E3 transition as 0.888(16)×10(-40)  J m(2)/V(2) and a dynamic correction η(300  K)=-0.0015(7). This reduces the uncertainty due to thermal radiation to 1.8×10(-18). The residual motion of the ion yields the largest contribution (2.1×10(-18)) to the total systematic relative uncertainty of the clock of 3.2×10(-18).

摘要

我们通过实验研究了一种基于单个囚禁的(171)Yb⁺离子的(2)S1/2(F = 0)→(2)F7/2(F = 3)电八极(E3)跃迁的光频标准。对于这种强禁戒跃迁的光谱学研究,我们采用了一种拉姆齐型激发方案,该方案可消除探测引起的频移。这些频移的消除由交错单脉冲拉比光谱控制,这将相关的相对频率不确定度降低到1.1×10⁻¹⁸。为了确定由离子环境发出的热辐射引起的频移,我们测量了E3跃迁的静态标量微分极化率为0.888(16)×10⁻⁴⁰ J m²/V²,以及动态修正η(300 K)= -0.0015(7)。这将热辐射引起的不确定度降低到1.8×10⁻¹⁸。离子的剩余运动对时钟总系统相对不确定度3.2×10⁻¹⁸的贡献最大(2.1×10⁻¹⁸)。

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