Компактный транспортируемый оптический стандарт на одиночном ионе 171Yb+ (проект “ybis”) Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 537.761

КОМПАКТНЫЙ ТРАНСПОРТИРУЕМЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СТАНДАРТ НА ОДИНОЧНОМ ИОНЕ 171 Yb+ (ПРОЕКТ "YBIS")

И. А. Семериков, К.Ю. Хабарова, И. В. Заливако, А. С. Борисенко, Н. Н. Колачевский

Представлена схема компактного транспортируемого оптического стандарта частоты на квадрупольном переходе в одиночном ионе 171 Yb+ с относительной нестабильностью на уровне 5 х 10-16, объёмом менее 1 м3 и массой менее 300 кг. Описывается ионная ловушка и лазерные системы. Экспериментально продемонстрированы захват и лазерное охлаждение иона 174 Yb+.

Ключевые слова: оптические часы, ион иттербия, транспортируемый стандарт частоты.

Современные оптические стандарты частоты достигли беспрецедентного уровня точности и стабильности. Относительная нестабильность частоты оптических часов достигла единиц 18-го знака, что превосходит характеристики лучших радиочастотных стандартов фонтанного типа на два порядка [1-3]. Столь выдающиеся характеристики точности и стабильности открывают широкие возможности применения оптических стандартов частоты как в прикладных, так и в фундаментальных вопросах современной физики. Следует отметить, что на сегодняшний день оптические стандарты частоты в основном представляют собой громоздкие, чувствительные к условиям окружающей среды установки, требующие регулярной настройки. Разработка и создание нового поколения транспортируемых оптических стандартов частоты открывают возможности точного сличения стандартов, а также решения нового класса задач астрофизики, геопозиционирования и навигации, а также релятивистской геодезии [4].

Сегодня работы по созданию компактных транспортируемых оптических часов ведутся в ряде ведущих научных групп мира. Так, транспортируемый стандарт на нейтральных атомах стронция, созданный в институте PTB (г. Брауншвайг, Германия)

ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: ilia179@mail.ru.

и размещаемый в фургоне автомобиля, продемонстрировал относительную нестабильность частоты на уровне 7 х 10-17 при временах усреднения 10000 с [5]. С его помощью были проведены релятивистские геодезические эксперименты по измерению разности гравитационных потенциалов в центре горы и на расстоянии 90 км [4]. Также консорциум из ведущих научно-технологических компаний и физических институтов Германии объявил о начале работ по созданию транспортируемого ионного оптического стандарта частоты в рамках проекта Ор^е1оек [6]. Аналогичные работы ведутся в Китае [7] и Франции [8].

Рис. 1: Схема уровней 171 УЬ+, задействованных в эксперименте (не в масштабе).

В рамках Федеральной целевой программы наша лаборатория в ФИАНе занимается разработкой и созданием компактного транспортируемого стандарта частоты на одиночном ионе иттербия 171УЬ+. Несомненным преимуществом выбора иона в качестве рабочей системы является возможность надежного захвата и хранения ионов в радиочастотных ловушках за счет наличия у них электрического заряда: время жизни иона в ловушке может достигать нескольких месяцев. Для осуществления доплеров-ского охлаждения в этом случае достаточно однонаправленного лазерного пучка, что облегчает юстировку оптической системы и упрощает дизайн установки. К минусам можно отнести то, что в большинстве случаев используемые для охлаждения и опро-

са ионов электронные переходы лежат в ультрафиолетовой области спектра, зачастую труднодоступной для лазерных источников, что ограничивает выбор ионов, которые можно использовать в стандартах частоты.

Ион 171УЬ+ обладает двумя оптическими "часовыми" переходами, при этом его структура уровней достаточно проста (рис. 1). В качестве часового планируется использовать квадрупольный переход ^/2^=0) Б3/2(Е=2) с естественной шириной линии Г = 3.1 Гц и длиной волны Л = 435.5 нм. Доплеровское охлаждение иона осуществляется на переходе 2Б1/2 ^2Р1/2 с естественной шириной линии Г = 23 МГц на длине волны Лд = 369.5 нм. При помощи этого же перехода планируется осуществлять регистрацию состояния иона методом квантовых скачков [9]. Для охлаждения и регистрации разработан и изготовлен компактный диодный лазер с внешним резонатором по схеме Литрова, устойчивый к вибрациям, на основе полупроводникового диода с длиной волны излучения 369.5 нм.

Из состояния 2Р1/2 ион с вероятностью 0.5% переходит в долгоживущее состояние 2Б3/2, что приводит к исключению его из цикла охлаждения. Для предотвращения этого эффекта необходимо использовать дополнительный перекачивающий лазер с длиной волны излучения 935 нм, связывающий состояние 2В3/2 с короткоживущим состоянием 3 [3/2] 1 /2, распадающимся в основное состояние 2Б1/2. В качестве перекачивающего нами используется диодный лазер с распределенной обратной связью, отличающийся компактными размерами и высокой надежностью.

Так как ядро 171УЬ обладает спином I = 1/2, необходимо учитывать наличие сверхтонкого расщепления электронных состояний. Наличие сверхтонкого дублета позволяет производить глубокое, вплоть до основного колебательного состояния, охлаждение методом охлаждения на боковых частотах при помощи модифицированной электромагнитной прозрачности [10]. Это снижает вклад эффекта Доплера в нестабильность частоты стандарта. Для возбуждения перехода 2В1/2(Г=0) ^2Р1/2(Г=1) в процессе до-плеровского охлаждения нами используется электрооптический модулятор (ЭОМ) с частотой 14.7 ГГц, модулирующий частоту излучения лазера доплеровского охлаждения, возбуждающего переход 2В1/2(Е=1) ^2Р1/2(Е=0). Для подготовки иона в чистом состоянии 2Б1/2(Г=0), необходимом для спектроскопии часового перехода, проводится депопуляция состояния 2Б1/2(Е=1). Для этого излучение, возбуждающее переход 2Б1/2(Р=1) ^2Р1/2(Е=0), модулируется на частоте 2.1 ГГц при помощи ЭОМа, а модуляция на частоте 14.7 ГГц отключается. Для эффективной перекачки из состояния 2Б3/2(Е=1) используется ЭОМ с частотой 3.07 ГГц, модулирующий излучение на длине

волны 935 нм. В редких случаях за счет столкновения иона с фоновым газом ион может перейти в долгоживущее состояние 2Г7/2. Для депопуляции этого уровня используется излучение на длине волны 760 нм, которое модулируется на частоте 5.25 ГГц и возбуждает переходы ^7/2(Е=3) [3/2]з/2(Р=1) и ^^=4) [Э/%2^2).

Рис. 2: Трехмерная ионная ловушка Пауля. 1 - электроды с постоянным потенциалом (центральные), 2 - электроды с радиочастотным потенциалом (стержневые). Элементы 1 и 2 выполнены из титана с покрытием золотом. 3 - держатель радиочастотных электродов из меди, 4 - проставки из плавленого кварца, 5 - атомная пушка.

Локализация иона в пространстве осуществляется в трехмерной ловушке Пауля с улучшенным оптическим доступом (рис. 2). В классической трехмерной ловушке Пауля центральный электрод перекрывает большую часть доступной апертуры [9]. В дизайне открытой ловушки центральный электрод разделяется на две части и выносится за стержневые электроды, что значительно улучшает оптический доступ, практически не влияя на глубину и гармоничность потенциала. В сравнении с планарными ловушками, которые также предлагаются для использования в компактных стандартах на одиночных ионах [8], трехмерная ловушка обладает гораздо большей глубиной и гармоничностью потенциала, что приводит к большим временам жизни иона в ловушке. Для создания удерживающего ион псевдопотенциала необходимо радиочастотное напряжение с амплитудой около 1 кВ и частотой порядка 10 МГц.

Существенной сложностью при работе с такими ловушками является радиочастотное излучение, испускаемое резонатором ловушки в окружающее пространство и влияющее на работу других электронных компонентов системы. Нами был спроектирован

и изготовлен спиральный резонатор с рабочей частотой / = 18 МГц и добротностью Q = 900 специальной конструкции с пониженным уровнем излучения, практически не влияющим на работу системы в целом.

Для загрузки ловушки были разработаны тепловые источники атомов, которые одновременно служат электродами для компенсации паразитных внешних электрических полей. Атомные источники и ионная ловушка смонтированы в вакуумной камере размером 8x8x8 см3, в которой поддерживается уровень вакуума лучше 10-10 мбар.

Для загрузки ионов 171УЬ+ используется двухступенчатый процесс: на первом этапе при помощи лазера фотоионизации с длиной волны излучения Лф = 399 нм возбуждается переход 2Б0 ^1Р1 в нейтральном иттербии, затем при поглощении фотона от охлаждающего лазера 369.5 нм электрон с уровня 1Р1 переходит в континуум. Спектральная ширина этого перехода составляет несколько десятков МГц, что при величине изотопического сдвига порядка 1 ГГц позволяет селективно возбуждать переход 2Б0 ^1Р1 только в выбранном изотопе.

Частоты всех вышеописанных лазеров стабилизируются по интерферометру Физо (ШБи, Ангстром), обеспечивающему точность стабилизации частоты излучения не хуже 2 МГц, что достаточно при работе с переходами с естественной шириной линии более 4 МГц.

Основным экспериментальным результатом работы является демонстрация селективной загрузки и лазерного охлаждения облака ионов четного изотопа 174УЬ+ до температуры порядка 100 мК, что указывает на надежное функционирование лазерных систем фотоионизации и охлаждения, а также радиочастотной ловушки в целом. Выбор четного изотопа в данных экспериментах обусловлен более простой системой уровней (отсутствие сверхтонкой структуры, рис. 1). После настройки систем высокочастотной модуляции на основе ЭОМов будет продемонстрирован захват и охлаждение требуемого изотопа 171УЬ+.

В работе описана схема оптического транспортируемого стандарта частоты на одиночном ионе иттербия. Обоснован ряд технических решений, позволяющих повысить надежность и компактность разрабатываемого стандарта. С помощью созданных лазерных систем продемонстрирован захват и лазерное охлаждение облака четного изотопа 174УЬ+ в радиочастотной ловушке Пауля.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.610.21.0010, Уникальный идентификатор проекта КЕМЕИ61017Х0010).

ЛИТЕРАТУРА

[1] T. P. Heavner, E. A. Donley, F. Levi, et al., Metrologia 51, 174 (2014).

[2] N. Huntemann, C. Sanner, B. Lipphardt, et al., Phys. Rev. Lett. 116, 1 (2016).

[3] B. J. Bloom, T. L. Nicholson, J. R. Williams, et al., Nature 506, 71 (2014).

[4] J. Grotti, S. Koller, S. Vogt, et al., Nat. Phys. 14, 437 (2018).

[5] S. B. Koller, J. Grotti, S. Vogt, et al., Phys. Rev. Lett. 118, 1 (2017).

[6] http://www.opticlock.de

[7] Y. Huang, H. Guan, P. Liu, et al., Phys. Rev. Lett. 116, 1 (2016).

[8] M. Delehaye and C. Lacroüte, J. Mod. Opt. 65, 622 (2018).

[9] F. Riehle, Frequency Standards Basics and Applications (WILEY-VCH Verlag GmbH

& Co KCaA, Weinheim, 2004).

[10] J. Evers and C. H. Keitel, Europhys. Lett. 68, 370 (2004).

[11] A. V. Akimov, A. N. Matveev, A. V. Sokolov, et al., J. Raman Spectrosc. 36, 123 (2005).

Поступила в редакцию 15 октября 2018 г.