この記事では、Moku:Pro を使用して、Time & Frequency Analyzer 機器を使用して、高度な原子時計のイオン振動 (微小運動) を正確に測定し、最小限に抑える方法について詳しく説明します。
もしあなたが 原子時計おそらく、80個以上の原子時計からなるグローバルなネットワークが協定世界時（UTC）の基礎を構成していることが理由でしょう。原子時計の概念は今や「精度」と同義語となっており、最高精度の原子時計は小数点以下19桁まで精度が抑えられています。この精度を達成するには、電場や磁場ノイズ、周囲の黒体放射、そして「時計」原子が運動エネルギーを得る原因となるあらゆる結合など、さまざまな外部摂動を特性評価し、制御する必要があります。このような周波数シフトを引き起こす影響を予測し、補正する能力は、原子時計の精度と安定性を維持するために不可欠です。 コロラド州立大学、のグループ クリスチャン・サナー [1]は、トラップイオンベースの光原子時計の研究を行っている。彼らの研究の一部には、すべての外部摂動を最小限に抑えることが含まれている。そのために彼らは Moku:Pro、再構成可能なテストおよび測定機器のスイートを提供する FPGA ベースのデバイス。を活用して タイム&周波数アナライザ捕捉されたイオンの残留運動をチェックし、それを最小限に抑えるための適切な修正措置を適用することができます。
課題
イオンをトラップするには、通常、中性原子から始めて、レーザーエネルギーで電子を取り除きます。イオン化された原子は、イオントラップ電極によって生成された電位により、強い電気力を感じます。時間とともに変化するACおよびDC電位（数十MHzのRF範囲の一般的な駆動周波数を持つ「ポールトラップ」）の構成により、自由空間でイオンをトラップできます。その後、イオンは、と呼ばれる方法によってmK未満の温度にまで下げられます。 ドップラー冷却このプロセスでは、イオンは速度に依存する光の力にさらされ、正味のエネルギー損失につながります。図 1 は、ドップラー冷却と蛍光検出用の光学系に囲まれたイオン トラップ装置を示しています。
図1：イオントラップ装置。写真提供：コロラド州立大学クリスチャン・サンナー氏。理想的には、トラップの時間変化する電場によって、交流電場と直流電場がゼロになる点でイオンが閉じ込められます。しかし実際には、近くにある迷走電場によってイオンが理想的なトラップ中心からずれてしまい、その場合、印加されたRFによってイオンがトラップ内で振動します。これはマイクロモーションとも呼ばれます。これはシステムの性能に悪影響を及ぼします。光イオン時計の場合、遷移周波数の望ましくないシュタルクシフトと時間膨張シフトを引き起こします。迷走電場を完全に除去することは不可能であるため、研究者は通常、迷走電場によって引き起こされる摂動を相殺するために追加の補償電場を適用します。しかし、そもそもイオンがマイクロモーションを起こしているかどうかをどのように検出するかという問題が残ります。そこでクリスチャン・サンナー氏とそのチームがMokuを開発しました。 タイム&周波数アナライザ 残留微動量を正確に測定します。
ソリューション
過去30年間で、さまざまな微小運動検出方法が開発されてきた。これらの方法の中には、ドップラー冷却と同じ概念に基づいているものもある。例えば、「光子相関」法[2, 3]は、トラップ駆動同期イオン蛍光変調を検出する。不適切に補償された迷走場の場合、微小運動によって誘起されるドップラーシフトとそれに伴う光子散乱率の変調により、ドップラー冷却中にイオンから散乱される光にこのような変調が生じる。言い換えれば、微小運動の半周期中にイオンがレーザービームに近づくと、赤色にデチューンされたレーザー冷却光の散乱が増加し、もう一方の半周期中に原子が光源から遠ざかると、散乱が減少する。 CSUチームが使用した、この相互相関測定を実装するための便利な構成を図2に示す。Moku時間周波数アナライザは、散乱光子の検出とトラップ駆動RF信号の次のゼロ交差との間の時間間隔を繰り返し測定することにより、離散化された光子散乱イベントのロックイン検出を基本的に実行する。
図 2: Moku 時間および周波数アナライザー装置を使用した相互相関測定セットアップの概略図。イオン上で散乱された光子は光電子増倍管 (PMT) に集められ、検出された光子ごとに TTL パルスが Moku 装置に送信されます。
結果
測定された時間間隔のヒストグラムを作成することで、トラップ駆動同期イオン蛍光変調を明らかにし、それによって微小運動の振幅を定量化できます。2 つのヒストグラムの例を図 3 に示します。トラップ内の微小運動が小さい場合、トラップ駆動期間内の光子イベントの分布は比較的平坦になります (図 3a)。システムに大きな微小運動がある場合、光子検出イベントは不均一に分布します。 タイム&周波数アナライザ これにより、研究チームはトラップ内の微小な動きをリアルタイムで検出できるようになりました。この情報を基に、補償フィールドを適用して漂遊電場の有害な影響を打ち消し、結果を確認します。微小な動きが許容レベルに達すると、光イオン時計実験の次の段階に進むことができます。
図3：Moku時間周波数アナライザーの結果。a) 微小運動が小さいイオントラップの光子検出ヒストグラム（良好な補償）。b) 微小運動が大きいイオントラップの検出ヒストグラム。顕著なトラップ駆動同期蛍光変調を示している。今後、Sanner研究室は、ニューラルネットワークなどの他の機器を研究に組み込む計画である。時間周波数アナライザーに加えて、Moku ニューラルネットワーク レーザー冷却と光クロック検査シーケンスの効率をさらに向上させるのに役立ちます。
参考情報
[1] コロラド州立大学物理学部。 https://www.physics.colostate.edu/christian-sanner/ [2] [1]DJ Berkeland、JD Miller、JC Bergquist、WM Itano、DJ Wineland、「ポールトラップにおけるイオンの微小運動の最小化」 応用物理ジャーナル、第83巻、第10号、pp.5025-5033、1998年XNUMX月、doi: https://doi.org/10.1063/1.367318[3] J. Keller、HL Partner、T. Burgermeister、TE Mehlstäubler、「トラップイオン光時計の微小運動の精密な決定」 応用物理ジャーナル、vol. 118、いいえ。 10 年 2015 月 XNUMX 日、土井: https://doi.org/10.1063/1.4930037.