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 台を超える世界規模の原子時計が協定世界時 (UTC) の基礎を成しているからでしょう。原子時計の概念は今や「精度」と同義であり、最も優れた原子時計は小数点第 19 位の不確かさに達します。
この精度を達成するには、電磁場ノイズ、周囲の黒体放射、および「時計」原子に運動エネルギーを与える結合など、さまざまな外部摂動を特徴付けて制御する必要があります。これらのタイプの周波数シフトを誘発する影響を予測して修正する能力は、原子時計の精度と安定性を維持するために不可欠です。
At 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: コロラド州立大学の Christian Sanner。
理想的には、トラップの時間的に変化する電界は、AC および DC 電界が消えるポイントでイオンを閉じ込めます。しかし、実際には、近くにある漂遊電界によってイオンが理想的なトラップの中心からずれる可能性があり、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 (マイクロモーションとも呼ばれます)。これはシステムのパフォーマンスに悪影響を及ぼします。光イオン クロックの場合、遷移周波数の不要なシュタルク シフトと時間遅延シフトにつながります。
漂遊電場を完全に除去することは不可能なので、研究者は通常、漂遊電場によってもたら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、イオンがそもそも微小運動しているかどうかをどうやって検出するかという問題が残ります。そこでクリスチャン・サンナーと彼のチームはMokuを導入しました。 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 年間に、さまざまな微小運動検出法が開発されてきました。その一部は、ドップラー冷却と同じ概念に基づいています。たとえば、「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します。不適切に補正された漂遊場の場合、微小運動によって誘発されるドップラーシフトとそれに伴う光子散乱率変調により、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ます。言い換えると、赤色の離調レーザー冷却光の散乱は、イオンが微小運動の半サイクル中にレーザービームに近づいている場合は増加し、原子がもう一方の半サイクル中に光源から遠ざかっている場合は減少します。
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 に示します。Moku 時間および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します。
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、マイクロモーション振幅を定量化できます。3 つのヒストグラムの例を図 3 に示します。トラップ内のマイクロモーションが小さい場合、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 XNUMXa)。システムのマイクロモーションが大きい場合、光子検出イベントは不均一に分布します。
生成されたヒストグラムは 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 タイム & 周波数アナライザーの結果。a) 微小な動きが小さいイオントラップの光子検出ヒストグラム (良好な補正)。b) 顕著なトラップ駆動同期蛍光変調を示す、より大きな微小な動きがあるイオントラップの検出ヒストグラム。
将来的には、サンナー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取り入れる予定です。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パートナー、T. Burgermeister、TE Mehlstäubler、「トラップイオン光時計の微小運動の正確な測定」 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.
