이 문서에서는 Moku:Pro가 시간 및 주파수 분석기 장비를 사용하여 고급 원자 시계의 이온 진동(미세 운동)을 정확하게 측정하고 최소화하는 데 어떻게 사용되는지 자세히 설명합니다.
만약 당신이 ~에 익숙하다면 원자 시계이는 아마도 80개 이상의 원자시계로 이루어진 전 세계적인 네트워크가 협정 세계시(UTC)의 기반을 이루고 있기 때문일 것입니다. 원자시계라는 개념은 이제 "정밀도"와 동의어가 되었으며, 최고의 원자시계는 소수점 이하 19번째 자리까지 오차 범위를 좁힙니다. 이러한 정밀도를 달성하기 위해서는 전기장 및 자기장 잡음, 주변 흑체 복사, 그리고 "시계" 원자가 운동 에너지를 얻게 하는 모든 상호작용을 포함한 다양한 외부 교란 요인을 특성화하고 제어해야 합니다. 이러한 주파수 변동 유발 효과를 예측하고 보정하는 능력은 원자시계의 정확성과 안정성을 유지하는 데 매우 중요합니다. 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: 콜로라도 주립대학교 크리스찬 새너. 이상적으로는 트랩의 시간 가변 전기장이 교류 및 직류 전기장이 사라지는 지점에 이온을 가둡니다. 그러나 실제로는 근처에 존재하는 미세 전기장이 이온을 이상적인 트랩 중심에서 벗어나게 할 수 있으며, 이 경우 인가된 RF는 이온이 트랩 내에서 진동하게 하는데, 이를 미세 운동이라고 합니다. 이는 시스템 성능에 악영향을 미칩니다. 광학 이온 클록의 경우 원치 않는 스타크 시프트와 전이 주파수의 시간 지연 시프트를 유발합니다. 미세 전기장을 완전히 제거하는 것은 불가능하기 때문에 연구자들은 일반적으로 미세 전기장으로 인한 교란을 상쇄하기 위해 추가적인 보상 전기장을 인가합니다. 하지만 이온이 미세 운동을 하고 있는지 여부를 어떻게 감지할 것인가 하는 문제가 남아 있습니다. 바로 이 지점에서 크리스찬 새너와 그의 연구팀은 Moku를 개발했습니다. 시간 및 진동수 분석기 미세운동의 잔여량을 정확하게 측정합니다.
해법
지난 30년 동안 다양한 미세 운동 감지 방법이 개발되었습니다. 그중 일부는 도플러 냉각의 작동 원리와 동일한 개념에 기반합니다. 예를 들어, "광자 상관" 방법[2, 3]은 트랩 구동 동기 이온 형광 변조를 감지합니다. 누설장이 제대로 보상되지 않은 경우, 이러한 변조는 미세 운동으로 인한 도플러 편이와 그에 따른 광자 산란율 변조 때문에 도플러 냉각 중 이온에서 산란된 빛에서 발생합니다. 즉, 미세 운동 반주기 동안 이온이 레이저 빔에 접근하면 적색 편이된 레이저 냉각광의 산란이 증가하고, 다른 반주기 동안 원자가 광원에서 멀어지면 산란이 감소합니다. CSU 팀에서 사용하는 이 상호 상관 측정 구현을 위한 편리한 구성은 그림 2에서 볼 수 있습니다. Moku 시간 및 주파수 분석기는 산란된 광자 검출과 트랩 구동 RF 신호의 다음 영점 교차 사이의 시간 간격을 반복적으로 측정함으로써 이산화된 광자 산란 이벤트를 록인 검출 방식으로 검출합니다.
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 작성함으로써 트랩 구동 동기 이온 형광 변조를 파악하고 미세 운동 진폭을 정량화할 수 있습니다. 그림 3에는 두 가지 예시 히스토그램이 나와 있습니다. 트랩 내 미세 운동이 작으면 트랩 구동 주기 내 광자 이벤트 분포가 비교적 평평해집니다(그림 3a). 시스템에 미세 운동이 크면 광자 검출 이벤트가 불균일하게 분포됩니다. 생성된 히스토그램은 다음과 같습니다. 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) 미세 운동이 작은 이온 트랩의 광자 검출 히스토그램(보정 양호). b) 미세 운동이 큰 이온 트랩의 검출 히스토그램으로, 트랩 구동 동기 형광 변조가 뚜렷하게 나타남. 향후 Sanner 연구실은 신경망과 같은 다른 장비들을 연구에 통합할 계획입니다. 시간 및 주파수 분석기와 함께 Moku도 연구에 활용될 예정입니다. 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, "포획 이온 광학 시계의 미세 운동 정밀 측정" 응용 물리학 저널, 권. 118, 아니. 10년 2015월 XNUMX일, doi: https://doi.org/10.1063/1.4930037.