Reducing the statistical and systematic uncertainty of the VTT MIKES Sr88+ ion clock

Thumbnail Image

Files

master_Seppäläinen_Lauri_2021.pdf (4.46 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2021-12-14

Department

Major/Subject

Engineering Physics

Mcode

SCI3056

Degree programme

Master’s Programme in Engineering Physics

Language

en

Pages

84 + 6

Series

Abstract

Optical single-ion clocks offer a novel way to create a so-called frequency standard, a device for measuring frequencies, with unprecedented accuracy. These standards are often called clocks for simplicity. In recent years, this new approach has been steadily pushing the uncertainty records of atomic clocks well beyond those of more traditional microwave domain implementations. Here, optical clocks refer to atomic clocks where the oscillator of the clock is a laser. In this work, we examine the current state of the VTT MIKES Sr88+ single-ion optical clock and present a new approach to probing the reference ion. The greatest improvement in the systematic uncertainty of the clock has been the new helical resonator, which allows us to trap the ion such that is moves at a so-called ``magic frequency''. At this frequency, motion-related shifts in the reference transition of the ion are minimized. In addition, a bichromatic probing scheme is presented and its stability compared in simulation to a more traditional probing sequence. This new probing sequence is shown to offer an increase in stability in use cases where ion state preparation is not possible. With the simulation, we show that the bichromatic sampling sequence increases the stability of a clock by a factor of 1/\sqrt{2} in the ideal case and a factor of 0.76 in a realistic case, as predicted by theory. To provide a look into the state of the current clock system and near-future upgrades we analyze the results from a 30-hour clock run (continuous operation of the clock) in late 2020. In the clockrun, we reach a stability, as measured by the Allan deviation, extending into the low 10^(-15) range.

Optiset, yhteen ioniin perustuvat atomikellot mahdollistavat uudenlaisen, ennennäkemättömän tarkan taajuusnormaalin rakentamisen. Taajuusnormaali on laite, jonka avulla taajuuksia voidaan mitata vertailemalla. Yksinkertaisuuden nimissä taajuusnormaaleja kutsutaan monesti kelloiksi. Viime vuosina uusi lähestymistapa on tasaisesti alittanut tavanomaisten atomikellojen asettamia epätarkkuusennätyksiä. Tässä optisella kellolla tarkoitetaan atomikelloa, jonka oskillaattorina toimii laser. Tässä työssä esitellään VTT MIKESin yksi-ioninen Sr88+ optinen kello sekä uudenlainen tapa mitata ionin tila. Suurin parannus kellon systemaattisen epävarmuuden vähentämiksi on uusi spiraalinmuotoinen resonaattori. Resonaattorin avulla ioniluokkua voidaan ajaa taajuudella, jolla ionin liikkeeseen liittyvät taajuussiirtymät minimoituvat, mikä parantaa järjestelmän systemaattista epävarmuutta. Työssä esitellään myös bikromaattinen mittausmenetelmä, jonka epävarmuutta tarkastellaan simulaatiovertailulla perinteisen mittausmenetelmän kanssa. Uuden mittaustavan todetaan parantavan kellon epävarmuutta erityisesti sovelluksissa, joissa ionin tilan valmistelu ei ole mahdollista. Simulaation avulla osoitetaan bikromaattisen mittausmenetelmän alentavan kellon epävarmuutta kertoimella 1/\sqrt{2} ideaalitapauksessa ja kertoimella 0.76 realistisesti toteutettavissa olevassa tapauksessa. Lopuksi kellon nykytilan tarkastelun helpottamiseksi työssä analysoidaan 30 tunnin pituista yhtäjaksoista kelloajoa (jakso, jolloin kello on kokoaikaisesti käytössä). Kelloajo tapahtui loppuvuonna 2020, ja se tarjoaa näkymän kellon nykyisiin ominaisuuksiin sekä lähitulevaisuudessa mahdollisiin parannuksiin. Kelloajossa kellon vakaus saavutti arvoja lähes 10^(-15)-tasolla Allan-hajonnalla mitattuna.

Description

Supervisor

Ala-Nissilä, Tapio

Thesis advisor

Lindvall, Thomas

Keywords

metrology, atomic clocks, optical clocks, simulation, SI second, ion trap

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2021121910848

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI