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Theses Year : 2010

Strontium Optical Lattice Clock: In Quest of the Ultimate Performance

Horloge à réseau optique au Strontium : en quête de la performance ultime

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Abstract

This thesis presents the latest achievements regarding the Sr optical lattice clock experiment at LNE-SYRTE, Observatoire de Paris. After having described the general principles for optical lattice clocks and the operation of the clock in question, the emphasis is put on the features that have been added to the experiment since 2007. The most important new elements are an ultra-stable reference cavity for the clock laser, the development of a non-destructive detection technique, and the construction of a second Sr lattice clock. The ultra-stable cavity is constructed from a ULE spacer and fused silica mirrors and has shown a thermal noise floor at 6.5E-16, placing it among the best in the world. The non-destructive detection is effectuated by a phase measurement of a weak probe beam that traverses the atoms placed in one arm of a Mach-Zender interferometer. The non-destructive aspect enables a recycling of the atoms from cycle to cycle which consequently increases the duty cycle, allowing for an increase of the stability of the clock. With these new tools the frequency stability is expected to be 2.2E-16/tau^(1/2) for an optimized sequence. The most recent comparisons between the two Sr clocks reach an accuracy level of 1E-16 after about 1000 s, and this way we have been able to characterize lattice related frequency shifts with an unprecedented accuracy. The measurements ensure a control of lattice related effects at the 1E-18 level even for trap depths as large as 50 Er.
Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de strontium du LNE-SYRTE, Observatoire de Paris. Après avoir passé en revue les principes généraux des horloges à réseau optique et le fonctionnement de l'horloge, l'accent est mis sur les améliorations qui ont été apportées à l'expérience depuis 2007. Les éléments les plus importants sont une nouvelle cavité ultra-stable de référence pour le laser d'horloge, le développement d'une technique de détection non-destructive, et la construction d'une deuxième horloge à réseau optique de Sr. La cavité ultra-stable est composée d'un spacer ULE et deux miroirs en silice fondue et a montré un niveau de bruit thermique à 6.5E-16, ce qui la place parmi les meilleures du monde. La détection non-destructive est réalisée par une mesure de phase d'un faisceau sonde de faible intensité qui traverse les atomes placés dans un bras d'un interféromètre Mach-Zender. L'aspect non-destructif permet de recycler les atomes d'un cycle à l'autre et augmente par conséquent le rapport cyclique, ce qui permet d'optimiser la stabilité de l'horloge. Avec ces nouveaux outils la stabilité de fréquence attendue est à 2.2E-16/tau^(1/2) pour une séquence optimisée. Les comparaisons les plus récentes entre les deux horloges Sr atteignent un niveau de stabilité de 1E-16 après environ 1000 s, ce qui nous a permis de caractériser les décalages de fréquence liés au réseau avec une précision sans précédent. Ces mesures assurent un contrôle des effets liés au réseau au niveau de 1E-18, même pour des profondeurs de piège aussi grandes que 50 Er.
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Dates and versions

pastel-00560080 , version 1 (27-01-2011)

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  • HAL Id : pastel-00560080 , version 1

Cite

Philip Westergaard. Strontium Optical Lattice Clock: In Quest of the Ultimate Performance. Atomic Physics [physics.atom-ph]. Télécom ParisTech, 2010. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00560080⟩
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