An optical atomic clock based on a highly charged ion

King, Steven A.; Spieß, Lukas J.; Micke, Peter; Wilzewski, Alexander; Leopold, Tobias; Benkler, Erik; Lange, Richard; Huntemann, Nils; Surzhykov, Andrey; Yerokhin, Vladimir A.; Crespo Lopez-Urrutia, Jose R.; Schmidt, Piet O.

doi:https://doi.org/10.48550/arXiv.2205.13053

Zugriffsnummer	48376
Dokumenttyp	Zeitschriftenartikel
Peer Review	mit Peer Review
Sprache	Englisch
Titel	An optical atomic clock based on a highly charged ion
Autor(in); Institution	King, Steven A.; QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology, PTB-Braunschweig Spieß, Lukas J.; QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology, PTB-Braunschweig Micke, Peter; PTB-Braunschweig, formerly Wilzewski, Alexander; QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology, PTB-Braunschweig Leopold, Tobias; PTB-Braunschweig, formerly Benkler, Erik; 4.3, Quantenoptik und Längeneinheit, PTB-Braunschweig Lange, Richard; 4.4, Zeit und Frequenz, PTB-Braunschweig Huntemann, Nils; 4.4, Zeit und Frequenz, PTB-Braunschweig Surzhykov, Andrey; FPM, Fundamentale Physik für Metrologie, PTB-Braunschweig; Technische University Braunschweig, GERMANY; Laboratory for Emerging Nanometrology Braunschweig, GERMANY Yerokhin, Vladimir A.; FPM, Fundamentale Physik für Metrologie, PTB-Braunschweig Crespo Lopez-Urrutia, Jose R.; Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, GERMANY Schmidt, Piet O.; QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology, PTB-Braunschweig; Leibniz Universität, Institut für Quantenoptik, Hannover, GERMANY
Quelle/Jahr	Nature: 611 (2022), 43 - 47
ISSN	0028-0836 (print) ; 1476-4687 (online)
DOI	https://doi.org/10.48550/arXiv.2205.13053
URL	https://arxiv.org/abs/2205.13053 https://arxiv.org/abs/2205.13053v1
Verlag	London: Macmillan Publishers Limited
Freie Schlagworte	Atomic Clock ; Optical Clock ; Highly Charged Ion
Zusammenfassung	Optical atomic clocks are the most accurate measurement devices ever constructed and have found many applications in fundamental science and technology. The use of highly charged ions (HCI) as a new class of references for highest accuracy clocks and precision tests of fundamental physics has long been motivated by their extreme atomic properties and reduced sensitivity to perturbations from external electric and magnetic fields compared to singly charged ions or neutral atoms. Here we present the first realisation of this new class of clocks, based on an optical magnetic-dipole transition in Ar¹³⁺. Its comprehensively evaluated systematic frequency uncertainty of 2.2×10^-17 is comparable to that of many optical clocks in operation. From clock comparisons we improve by eight and nine orders of magnitude upon the uncertainties for the absolute transition frequency and isotope shift (40Ar vs. 36Ar), respectively. These measurements allow us to probe the largely unexplored quantum electrodynamic nuclear recoil, presented as part of improved calculations of the isotope shift which reduce the uncertainty of previous theory by a factor of three. This work establishes forbidden optical transitions in HCI as references for cutting-edge optical clocks and future high-sensitivity searches for physics beyond the standard model.

Themenbereich der Metrologie	Zeit und Frequenz
Förderinformationen (1)	Förderername: Max-Planck-Gesellschaft (MPG) Förderer ID: 0000 0001 2193 5698 Förderer ID Typ: ISNI
Förderinformationen (2)	Förderername: Max-Planck, Riken, PTB Center for Time, Constants, and Fundamental Symmetries (C-TCFS)
Förderinformationen (3)	Förderername: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Förderer ID: 0000 0001 2096 9829 Förderer ID Typ: ISNI Förderungsnummer: SCHM2678/5-1
Förderinformationen (4)	Förderername: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Förderer ID: 0000 0001 2096 9829 Förderer ID Typ: ISNI Förderungsnummer: SU 658/4-2
Förderinformationen (5)	Förderername: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Förderer ID: 0000 0001 2096 9829 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: SFB 1225 ISOQUANT
Förderinformationen (6)	Förderername: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Förderer ID: 0000 0001 2096 9829 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: SFB 1227 DQ-mat
Förderinformationen (7)	Förderername: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Förderer ID: 0000 0001 2096 9829 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: Germany’s Excellence Strategy - EXC-2123 QuantumFrontiers
Förderinformationen (8)	Förderername: European Commission (EC) Förderer ID: 0000 0001 2242 8989 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: EMPIR 2017 Fundamental Titel der Förderung: 17FUN07: CC4C: Coulomb Crystals for Clocks Förderungsnummer: 17FUN07
Förderinformationen (9)	Förderername: European Commission (EC) Förderer ID: 0000 0001 2242 8989 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: EMPIR 2020 Fundamental Titel der Förderung: 20FUN01: TSCAC: Two-species composite atomic clocks Förderungsnummer: 20FUN01
Förderinformationen (10)	Förderername: European Research Council (ERC) Förderer ID: 0000 0000 8923 0953 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme Förderungsnummer: 101019987
Förderinformationen (11)	Förderername: Alexander von Humboldt-Stiftung (AvH) Förderer ID: 0000 0001 1034 1691 Förderer ID Typ: ISNI

Zitierung

King, S. A., Spieß, L. J., Micke, P., Wilzewski, A., Leopold, T., Benkler, E., Lange, R., Huntemann, N., Surzhykov, A., Yerokhin, V. A., Crespo Lopez-Urrutia, J. R., & Schmidt, P. O. (2022). An optical atomic clock based on a highly charged ion. Nature, 611, 43–47. https://doi.org/10.48550/arXiv.2205.13053

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