Dokument: A high-performance bosonic optical lattice clock

Titel:	A high-performance bosonic optical lattice clock
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=47570
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20181016-100339-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Origlia, Stefano [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 15,95 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 16.10.2018 / geändert 16.10.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Schiller, Stephan [Gutachter] Prof. Dr. Schmitt, Michael [Gutachter]
Stichwörter:	atomic clocks; optical clocks; accurate measurement;
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Optical clocks are being developed worldwide and are at the forefront of frequency metrology. Today they outperform microwave clocks instability and inaccuracy by two orders of magnitude, raising discussion about the redefinition of the SI second. Their outstanding performances are paving the way to applications in different fields apart from metrology. Optical clocks can be used for geodetic measurements, such as chronometric levelling, and fundamental physics experiments. These applications require transportable, and even space-born optical clocks that are in development. Space optical clocks will serve as a high accurate references for intercontinental clock comparisons, and will also provide a unique test bench for fundamental physics theories, such as Einstein’s prediction of time dilation and equivalence principle. This work presents the development and characterization of a transportable strontium optical lattice clock, realised in the framework of the ESA I-SOC (Space Optical Clock on the ISS) mission. The aim of the project is to investigate new technologies and techniques, in order to develop a robust apparatus as demonstrator for space applications. Special effort has been made to reduce the size and weight of the clock, so as to meet the stringent requirements of a space mission. The system reported here is one of the most compact optical clock to date, with a total volume of only 1 m3, excluding electronics. The clock is operated with the strontium bosonic isotope 88Sr: this is preferable to the fermionic counterpart 87Sr, commonly used in optical lattice clocks, if simplicity and reliability are required. However, in terms of accuracy, bosonic clocks present some disadvantages compared with the fermionic ones, which have significantly slowed down their development for metrological applications. We characterised the relevant operating parameters and their effect on the clock accuracy and instability. Exploiting a clock laser offering an outstanding stability, we were able to demonstrate a clock fractional instability of 3×10-18 , and an inaccuracy of 2×10-17: both values represent a factor of 30 improvement compared with previous works on bosonic optical clocks. These results suggest that, in the near future, bosonic clocks may become competitive to their fermionic counterparts. This is of interest for applications such as time scale realization, transportable clocks, or for test of fundamental physics. As an example, we measured the 88Sr-87Sr isotope shift, with an uncertainty of 12 mHz. Optisch Uhren werden seit Jahrzehnten weltweit entwickelt und bilden die Spitze in der Frequenzmetrologie. Heutzutage übertreffen sie in Stabilität und Genauigkeit die etablierten Mikrowellenstandards um mehr als zwei Größenordnungen was eine Diskussion über die Neudefinition der Sekunde anregt. Die außerordentliche Leistungsfähigkeit optischer Uhren, ebnet den Weg zu unterschiedlichsten Anwendungsgebieten der Metrologie. Potentielle Anwendungsgebiete wären beispielsweise geodätische Messungen wie die chronometrische Nivellierung oder Tests fundamentaler Physik. Derartige Anwendungen erfordern transportable und sogar weltraumtaugliche optische Uhren, die sich derzeit in der Entwicklung befinden. Weltraumbasierte optische Uhren dienen bei interkontinentalen Vergleichen anderer optischer Uhren als ultrapräzise Referenz. Zugleich ermöglichen sie Tests fundamentaler Physik wie dem Einstein'schen Äquivalenzprinzip oder der Zeitdilatation. In dieser Arbeit wird der aktuelle Status der Entwicklung und Charakterisierung einer transportablen optischen Gitteruhr basierend auf Strontium, welche im Ramen des ESA I-SOC Projektes (Space Optical Clock on the ISS) durchgeführt wird, präsentiert. Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Erprobung neuer Technologien und Techniken um eine optische Uhr herzustellen, die als robuster Prototyp für Weltraumanwendungen dient. Hoher Wert wurde auf ein geringes Gewicht und möglichst geringe Baugröße gelegt, um die strikten Anforderungen eines Raumfluges zu erfüllen. Das in dieser Arbeit präsentierte System mit einem Volumen (ohne Elektronik) von nur 1 m3, ist bis heute eine der kompaktesten optischen Gitteruhren weltweit. Die Uhr wird mit dem bosonischen Strontium Isotop 88Sr betrieben: dies ist im Gegensatz zu dem gewöhnlich in optischen Uhren benutzten fermionischen 87Sr zu bevorzugen, falls Einfachheit und Zuverlässigkeit benötigt werden. In Bezug auf Genauigkeit haben bosonische Uhren jedoch im Vergleich zu den fermionischen einige Nachteile, welche ihre Entwicklung für metrologische Zwecke signifikant verlangsamt haben. Die relevanten Betriebsparameter und deren Einfluss auf die Genauigkeit sowie der Instabilität der Uhr wurden charakterisiert. Die Verwendung eines extrem frequenzstabilen Uhrenlasers ermöglichte eine Instabilität von 3×10-18 und eine Ungenauigkeit von 2×10-17: Beide Werte stellen eine Verbesserung um den Faktor 30 dar, verglichen mit den Ergebnissen anderer bosonischer optischer Uhren. Diese Werte legen nahe, dass die bosonischen Uhren in naher Zukunft mit ihren fermionischen Gegenstücken konkurrieren könnten. Im Hinblick auf die Realisierung einer Zeitskala, die weitere Entwicklung transportabler Uhren oder die Untersuchung fundamentaler Physik, ist dies sehr von Interesse. Beispielsweise waren wir im Ramen dieser Arbeit in der Lage, die Isotopieverschiebung von 88Sr zu 87Sr mit einer Unsicherheit von 12 mHz zu messen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Experimentalphysik
Dokument erstellt am:	16.10.2018
Dateien geändert am:	16.10.2018
Promotionsantrag am:	06.03.0018
Datum der Promotion:	15.10.0018