Setup and operation of a multi-ion clock based on linear In+/Yb+ crystals

Abstract

Die aktuell genausten optischen Atomuhren basieren auf gefangenen und lasergekühlten Atomen oder Ionen. Dabei wird ein schmalbandiger Laser auf einen geeigneten elektronischen Übergang im Atom oder Ion stabilisiert und so Frequenzmessungen mit relativen systematischen Unsicherheiten bis ~10^-18 realisiert. Während Neutralatomuhren viele tausend Atome gleichzeitig nutzen und somit ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis haben, basiert die Mehrzahl der heutigen Ionenuhren auf der Verwendung eines einzelnen Ions, das manchmal mit einem oder zwei weiteren Ionen einer anderen Spezies sympathetisch gekühlt wird. Die exzellente Kontrolle über die Umgebungsbedingungen und die äußeren Einflüsse auf die Energieniveauses des einzelnen Uhrenions sind eine große Stärke dieses Ansatzes. Die lange Mittelungszeit von einigen Wochen um eine systematische Unsicherheit von 10^-18 statistisch aufzulösen ist jedoch ein großer Nachteil, insbesondere für Anwendungen außerhalb des Labors. Aus diesem Grund wird im Forschungsfeld der optischen Ionenuhren aktuell mit verschiedenen Ansätzen an einer Verbesserung der Instabilität geforscht. Die Motivation dieser Arbeit ist, durch die Verwendung von Ionenketten mit mehreren Uhren-Ionen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhöhen und gleichzeitig die exzellente Kontrolle auch für ein Vielteilchensystem zu bewahren. Die Ionenketten bestehen aus 115In+ Uhren-Ionen, die sympathetisch mit 172Yb+ Ionen gekühlt werden. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines experimentellen Aufbaus, der geringe systematische Unsicherheiten und eine simultane nach Ionen aufgelöste Zustandsdetektion beider Spezies ermöglicht, sowie der Betrieb einer Multi-Ionen-Uhr. Das umfasst die Charakterisierung der mit der Ionenfalle verbundenen sytematischen Unsicherheiten und die Optimierung des sympathetischen Kühlens. Das vorgestellte Indiumionenuhr befindet sich am deutschen nationalen Metrologieinstitut,Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), in Braunschweig. Im April 2022 war die Indiumionenuhr an einer internationalen Messkampagne zu Frequenzvergleichen von optischen Uhren (European Metrology project 18SIB05 ROCIT1) beteiligt. Nach Abschluss der noch andauernden Auswertung werden daraus zahlreiche bisher unbekannte Frequenzverhältnisse resultieren. Mit der Inbetriebnahme ist die Indiumionenuhr als drittes optisches Frequenznormal mit einer systematischen Unsicherheit im niedrigen 10^-18-Bereich an der PTB ein wichtiger Bestandteil der Forschungsinfrastruktur für optische Uhren an der PTB und im internationalen Netzwerk der nächsten Jahre.