Оптический стандарт частоты на ионах алюминия: оценки эффектов взаимодействия с полем ионной ловушки и излучением черного тела

В.Г. Пальчиков1, В.Д. Овсянников2, С.И. Мармо2, С.Н. Мохненко2

1 ФГУП «ВНИИФТРИ, Московская обл.;
Московский ядерный университет МИФИ, Москва
palchikov@vniiftri.ru
2 Воронежский госуниверситет, Воронеж

«Альманах современной метрологии» № 1 (9) 2017, стр. 44–77

Статья в полном объеме (PDF)

УДК539.194

В работе излагаются принципы работы оптического стандарта времени и частоты на ионах алюминия. Проводится детальный анализ бюджета неопределенностей оптического стандарта.

Ключевые слова: ионный стандарт, квадрупольная ловушка, эффекты излучения черного тела.

Цитируемая литература

1. Rosenband T., Hume D.B., Schmidt P.O. et al.// Frequency ratio of Al+ and Hg+ single-ion optical clocks; Metrology at the 17th decimal place / Science, 2008, v. 319, р. 1808.

2. Bloom B.J., Nicholson T.L., Williams J.R., Campbell S.L., Bishof M., Zhang X., Zhang W., Bromley S.L. & Ye J. An optical lattice clock with accuracy and stability at the 10−18 level / Nature, 2014, v. 506, р. 71–75, doi:10.1038/nature12941.

3. Dehmelt H. // Bull. Am. Phys. Soc, 1975, v. 20, р. 60.

4. Rosenband T., Schmidt P.O., Hume D.B. et al. Observation of 1S0–3P0 clock transition in 27 Al+ // Phys. Rev. Lett., 2007, v. 98, р. 220801.

5. Safronova M.S., Kozlov M.G. and Clark C.W. Blackbody radiation shifts in optical atomic clocks // IEEE Transact. Ultrason. Ferroel. and Freq. Contr., 2012, v. 59, р. 439.

6. Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения / Пер. с англ. — М.: Физматлит, 2009, 512 c.

7. Wubbena Jannes B., Amairi Sana, Mandel Olaf and Schmidt Piet O. Sympathetic Cooling of Mixed Species Two-Ion Crystals for Precision Spectroscopy / arXiv:1202.2730v2 [physics.atom-ph], 17 Feb 2012.

8. Itano W.M. et al. Cooling Methods in Ion Traps // Physica Scripta, 1995, v. 59, р. 106–120.

9. Gheorghe V.N., Major F.G., Werth G. Charged Particle Traps. Physics and Techniques of Charged Particle Field Confinement. — Berlin: Springer, 2005, 347 p.

10. Drullinger R.E., Wineland D.J., Bergquist J.C. High-Resolution Optical Spectra of Laser Cooled Ions // Appl. Phys, 1980, №22, р. 365–368.

11. Wineland D.J. et al. Spectroscopy of Stored Atomic Ions // Atomic Physics 9, Proc. of the Ninth Intern. Conf. on Atomic Physics, Seatlle, 1984, р. 3–27.

12. Larson D.J. et al. Sympathetic cooling of trapped ions: A laser-cooled two-species nonneutral ion plasma // Phys. Rev. Lett, 1986, v. 57, р. 70–73.

13. Bollinger J.J. et al. Ion Trapping Techniques: Laser Cooling and Sympathetic Cooling / In “Intense Position Beams”, World Scientific: Singapore, 1988, р. 63. 

14. Schiller S., Lämmerzahl C. Molecular dynamics simulation of sympathetic crystallization of molecular ions // Phys. Rev. A., 2003, v. 68, р. 053406.

15. Waki I. et al.  Observation of ordered structures of laser-cooled ions in a quadrupole storage ring // Phys. Rev. Lett, 1992, v. 68, р. 2007–2010.

16. Raizen M.G. et al // Ionic crystals in a linear Paul trap / Phys. Rev. A, 1992, v. 45, р. 6493–6501.

17. Offenberg D. et al. Sympathetic cooling of complex molecular ions to milli-Kelvin temperatures / Poster presentation. Available at: http://www.exphy.uni-duesseldorf.de/ResearchInst/poster_barium.pdf.

18. Mølhave K., Drewsen M.  Formation of translationally cold MgH+ and MgD+ molecules in an ion trap / Phys. Rev. A, 2000, v. 62, р. 011401(R).

19. Bowe P. et al. Sympathetic Crystallization of Trapped Ions // Phys. Rev. Lett., 1999, v. 82, р. 2071–2074.

20. Audi G. et al. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A., 2003, v. 729, р. 3–128.

21. Gill P. When should we change the definition of the second? / Discussion meeting, The Royal Society, London, 24–25 January 2011. — Available at: http://www.bipm.org/utils/common/pdf/RoySoc/Patrick_Gill.pdf

22. Chou C.W. et al. Optical Clocks and Relativity // Science, 2010, v. 329, № 5999, р. 1630–1633.

23. Lemonde P. // Atomic clocks with cold atoms / Laser cooling and applications, Les Houches, France, September 2004. — Available at: http://www.phlam.univ-lille1.fr/leshouches/Cours_Lemonde.pdf.

24. Ludlow A.D. et al. Quantum metrology with lattice-confined ultracold Sr atoms / Conference Paper, Seventh Symposium on Frequency Standards and Metrology, Singapore, 2009, р. 73–81.

25. Zumsteg C. et al. One and Two Photon Excitation of Radiofrequency Trapped Ca+ // Chin. J. Chem. Phys, 2009, v. 22, № 2, р. 119–122.

26. Wang Y.H. et al. Absolute frequency measurement and high resolution spectroscopy of 115In+ 5s2 1S0–5s5p 3P0 narrowline transition // Optics Communications, 2007, v. 273, р. 526–531.

27. Schippers S. et al. Storage-ring measurements of the hyperfine induced 47Ti18+ (2s2p 3P0–2s2 1S0) transition rate / arXiv: physics/0612154v1[physics.atom-ph], 15 Dec. 2006.

28. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.: Физматлит, 2004, 800 c.

29. Brage T. et al. Hyperfine Induced Transitions as Diagnostics of Isotopic Compositions and Densities of Low-density Plasmas // Astrophys J., 1998, v. 500, р. 507–521.

30. Paul W. and Steinwedel H. Ein neues Massenspektrometer ohne Magnet-feld. // R Zeitschrift für Naturforschung A., 1953, v. 8, № 7, р. 448–450.

31. Paul W. and Steinwedel H. // Verfahren zur Trennung bzw. zum getrennten Nachweis von Ionen verschiedener spezifischer Ladung / DE 9449nb00 filed on December 24, 1953, priority December 23, 1953.

32. Stafford G.C. et al. Recent improvements in and analytical applications of advanced ion trap technology // Int. J. Mass Spectr. Ion Proc., 1984, v. 60, № 1, р. 85–98.

33. Ouyang Z. et al. Rectilinear ion trap: concepts, calculations, and analytical performance of a new mass analyzer // Annal. Chem., 2004, v. 76, № 16, р. 4595–4605.

34. March, R. An Introduction to Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometry // J. Mass Spectr., 1997, v. 32, № 4, р. 351–369.

35. McLachlan, N.W. Theory and Applications of Mathieu Functions / Oxford: Oxford University Press, 1947, 200 p.

36. Singer K. et al. Colloquium: Trapped ions as quantum bits: Essential numerical tools // Rev. Mod. Phys., 2010, v. 82, р. 2609–2632.

37. Dicke R.H. The Effect of Collisions upon the Doppler Width of Spectral Lines // Phys. Rev., 1953, v. 89, р. 472–473.

38. Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения / Пер. с англ. — М.: Физматлит, 2009, 512 c.

39. Schnatz H. et al. In-flight capture of ions into a Penning trap // Nucl. Instrum. Meth. A., 1986, v. 251, р. 17–20.

40. Schweikhard L. et al. In-flight capture of an ion beam in a Paul trap // J. Mod. Opt., 1992, v. 39, р. 361–371.

41. Gabrielse G. et al. First capture of antiprotons in a Penning trap: A kiloelectronvolt source / Phys. Rev. Lett., 1986, v. 57, р. 2504–2507.

42. Gheorghe V.N., Major F.G., Werth G. Charged Particle Traps. Physics and Techniques of Charged Particle Field Confinement. — Berlin: Springer, 2005, 347 p.

43. Sheridan K., Lange W., Keller M. All-optical ion generation for ion trap loading // Appl. Phys. B., 2011, v. 104, р. 755–761.

44. Zimmermann K et al // Laser ablation loading of a radiofrequency ion trap // Appl. Physics B, 2012, v. 107, р. 883–889.

45. Deslauriers L. et al. Efficient Photoionization-Loading of Trapped Cadmium Ions with Ultrafast Pulses // Phys. Rev. A, 2006, v. 74, р. 063421.

46. Kjærgaard N. et al. Isotope selective loading of an ion trap using resonance-enhanced two-photon ionization // Appl. Phys. B, 2000, v. 71, р. 207–210.

47. Gulde S. et al. Simple and efficient photo-ionization loading of ions for precision ion-trapping experiments // Appl. Phys. B, 2001, v. 73, р. 861–863.

48. Steele A.V. et al. Photoionization and Photoelectric Loading of Barium Ion Traps // Phys. Rev. A., 2007, v. 75, р. 053404.

49. Dehmelt H.G., Walls F.L. «Bolometric» Technique for the rf Spectroscopy of Stored Ions // Phys. Rev. Lett, 1968, v. 21, р. 127–131.

50. NIST Image Gallery [Электронный ресурс], 2005. — Режим доступа: http://patapsco.nist.gov/imagegallery/details.cfm?imageid=97.

51. Iffländer R., Werth G. Optical detection of ions confined in a rf quadru-pole trap // Metrologia, 1977, v. 13, р. 167–170.

52. Nagourney W., Sandberg J., Dehmelt H. Shelved optical electron amplifier: Observation of quantum jumps // Phys. Rev. Lett., 1986, v. 56, р. 279–2799.

53. Peik E. Laserspektroskopie an gespeicherten Indium-Ionen: dissertation MPQ. — Munchen, 1993, 181 p.

54. Wineland D.J. et al. Double-resonance and optical-pumping experiments on electromagnetically confined, laser-cooled ions. // Opt. Lett., 1980, v. 5, р. 245–247.

55. Roberts M. et al. Observation of an electric octupole transition in a single ion. // Phys. Rev. Lett, 1997, v. 78, р. 1876–1879.

56. Овсянников В.Д., Каменский А.А. Изменение частоты и интенсивности спектральных линий водородоподобного атома в поле точечного заряда // Оптика и спектроскопия, 2002, т. 92, с. 357–367.

57. Варшалович Д. А. Москалев А.Н., Херсонский В.К. Квантовая теория углового момента. — Ленинград: Наука, 1975, 440 с.

58. Бейтмен Г., Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции. В 3 т. Т. 1 Гипергеометрическая функция. Функции Лежандра. — М.: Наука, 1973, 296 с.

59. Manakov N.L., Ovsiannikov V.D. and Rapoport L.P. Atoms in a laser field // Phys. Rep., 1986, v. 141, р. 319–433.

60. Ovsiannikov V.D., Derevianko A., Gibble K. Rydberg spectroscopy in an optical lattice: Blackbody thermometry for atomic clocks // Phys. Rev. Lett., 2011, v. 107, р. 093003.

61. Farley J.W. and Wing W.H. Accurate calculation of dynamic Stark shifts and depopulation rates of Rydberg energy levels induced by blackbody radiation. Hydrogen, helium, and alkali-metal atoms // Phys. Rev. A, 1981, v. 23, р. 2397–2424.

62. Gallagher T.F. Rydberg Atoms. — Cambridge University Press, New York, 1994, p. 57.

63. Itano W.M., Lewis L.L. and Wineland D.J. Shift of 2S1/2 hyperfine splittinas due to blackbody radiation // Phys. Rev. A, 1982, v. 25, 1233–1235.

Статья в Научной электронной библиотеке eLIBRARY.
Оформить подписку и купить печатные номера журнала у издателя.