포획된 이온의 미세운동 측정

만약 당신이 ~에 익숙하다면 원자 시계, 아마도 80개가 넘는 이러한 시계의 글로벌 배열이 협정 세계시(UTC)의 기반을 구성하기 때문일 것입니다. 원자 시계의 개념은 이제 "정밀성"과 동의어가 되었으며, 최고의 원자 시계는 소수점 19번째 자리에서 분수 불확실성에 도달합니다.

이러한 정밀도를 달성하기 위해서는 전기 및 자기장 노이즈, 주변 흑체 복사 및 "시계" 원자가 운동 에너지를 얻도록 하는 모든 결합을 포함한 다양한 외부 교란을 특성화하고 제어해야 합니다. 이러한 유형의 주파수 이동 유도 효과를 예상하고 교정하는 능력은 원자 시계의 정확성과 안정성을 유지하는 데 중요합니다. 

At 콜로라도 주립 대학, 그룹의 크리스찬 샌너 [1]은 갇힌 이온 기반 광학 원자 시계에 대한 연구를 수행합니다. 그들의 작업의 일부는 모든 외부 교란이 최소한으로 유지되도록 하는 것을 포함합니다. 이를 위해 그들은 다음을 사용합니다. Moku:Pro는 재구성 가능한 테스트 및 측정 장비 제품군을 제공하는 FPGA 기반 장치입니다. 활용 시간 및 진동수 분석기, 갇힌 이온의 잔류 운동을 확인하고 이를 최소화하기 위한 적절한 시정 조치를 적용할 수 있습니다.

난제

이온을 포획하려면 일반적으로 중성 원자로 시작하여 레이저 에너지로 전자를 제거합니다. 이온화되면 원자는 이온 포획 전극에서 생성된 전기적 전위로 인해 강한 전기적 힘을 느낍니다. 시간 가변 AC 및 DC 전위(일반적으로 수십 MHz의 RF 범위에서 구동 주파수를 갖는 "폴 트랩")의 구성을 통해 자유 공간에서 이온을 포획할 수 있습니다. 그런 다음 이온은 다음과 같은 방법을 통해 mK 미만의 온도로 이동합니다. 도플러 냉각. 이 과정에서 이온은 속도에 따라 달라지는 광력에 노출되어 순 에너지 손실이 발생합니다. 그림 1은 도플러 냉각 및 형광 감지를 위한 광학 장치로 둘러싸인 이온 트랩 장치를 보여줍니다.

그림 1: 이온 트랩 장치. 사진 제공: Christian Sanner, Colorado State University.

이상적으로, 트랩의 시간 가변 전기장은 AC 및 DC 필드가 사라지는 지점에서 이온을 가두게 됩니다. 그러나 실제로는 근처에 있는 모든 누설 전기장이 이온을 이상적인 트랩 중심에서 밀어낼 수 있으며, 이 경우 적용된 RF가 이온이 트랩 내에서 진동하게 합니다. 이를 미세 운동이라고도 합니다. 이는 시스템 성능에 부정적인 영향을 미칩니다. 광학 이온 시계의 경우 원치 않는 Stark 이동과 전이 주파수의 시간 지연 이동으로 이어집니다. 

스트레이 전기장을 완전히 제거하는 것은 불가능하기 때문에 연구자들은 일반적으로 스트레이 전기장에 의해 발생한 섭동을 상쇄하기 위해 추가 보상장을 적용합니다. 그러나 이온이 처음에 미세 운동을 하는지 감지하는 방법에 대한 문제가 남아 있습니다. 바로 여기서 Christian Sanner와 그의 팀이 Moku를 도입했습니다. 시간 및 진동수 분석기 미세운동의 잔여량을 정확하게 측정합니다.

해법

지난 30년 동안 다양한 미세운동 감지 방법이 개발되었습니다. 그 중 일부는 도플러 냉각이 작동하는 것과 동일한 개념에 의존합니다. 예를 들어, "광자 상관" 방법[2, 3]은 트랩 구동 동기 이온 형광 변조를 감지합니다. 부적절하게 보상된 스트레이 필드의 경우, 미세운동으로 유도된 도플러 이동과 해당 광자 산란 속도 변조로 인해 도플러 냉각 중 이온에서 산란된 빛에서 이러한 변조가 발생합니다. 다시 말해, 적색으로 튜닝이 조정된 레이저 냉각 광의 산란은 이온이 미세운동 반주기 동안 레이저 빔에 접근하면 증가하고 다른 반주기 동안 원자가 광원에서 멀어지면 감소합니다.

CSU 팀에서 사용하는 이 교차 상관 측정을 구현하기 위한 편리한 구성은 그림 2에서 볼 수 있습니다. Moku Time & Frequency Analyzer는 기본적으로 산란된 광자의 감지와 트랩 구동 RF 신호의 다음 제로 크로싱 사이의 시간 간격을 반복적으로 측정하여 이산화된 광자 산란 이벤트의 잠금 감지를 수행합니다.

그림 2: Moku Time & Frequency Analyzer 기기를 사용한 교차 상관 측정 설정의 개략도. 이온에 분산된 광자는 광전 증배관(PMT)에서 수집되고, 이는 감지된 광자마다 TTL 펄스를 Moku 기기로 전송합니다.

결과

측정된 시간 간격의 히스토그램을 구축하면 트랩-드라이브-동기 이온 형광 변조를 밝혀내고 따라서 미세 운동 진폭을 정량화할 수 있습니다. 두 개의 예시 히스토그램이 그림 3에 나와 있습니다. 트랩의 미세 운동이 작으면 트랩 구동 기간 내의 광자 이벤트 분포가 비교적 평평할 것입니다(그림 3a). 시스템에 큰 미세 운동이 있으면 광자 감지 이벤트가 불균일하게 분포됩니다.

 생성된 히스토그램은 시간 및 진동수 분석기 팀이 트랩의 미세 운동을 실시간으로 감지할 수 있도록 했습니다. 이 정보를 바탕으로 보상 필드를 적용하여 떠돌이 전기장의 해로운 효과를 상쇄하고 결과를 봅니다. 미세 운동이 허용 가능한 수준에 도달하면 광학 이온 시계 실험의 다음 단계로 넘어갈 수 있습니다.

그림 3: Moku 시간 및 주파수 분석기 결과. a) 작은 미소운동(양호한 보상)이 있는 이온 트랩의 광자 감지 히스토그램. b) 더 큰 미소운동이 있는 이온 트랩의 감지 히스토그램. 뚜렷한 트랩 구동 동기 형광 변조를 보여줌. 

앞으로 Sanner Lab은 신경망과 같은 다른 도구를 연구에 통합할 계획입니다. Time & Frequency Analyzer와 함께 Moku 뉴럴 네트워크 레이저 냉각 및 광 클럭 조사 시퀀스의 효율성을 더욱 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

참고자료

[1] 콜로라도주립대학교 물리학과. https://www.physics.colostate.edu/christian-sanner/ 

[2] [1]DJ Berkeland, JD Miller, JC Bergquist, WM Itano 및 DJ Wineland, “Paul 트랩에서의 이온 미세운동 최소화” 응용 물리학 저널, vol. 83, no. 10, pp. 5025–5033, 1998년 XNUMX월, doi: https://doi.org/10.1063/1.367318. 

[3] J. Keller, HL Partner, T. Burgermeister 및 TE Mehlstäubler, "포획된 이온 광학 시계에 대한 미세 운동의 정확한 결정" 응용 물리학 저널, 권. 118, 아니. 10년 2015월 XNUMX일, doi: https://doi.org/10.1063/1.4930037.