High-stability optical clock based on a continuously ground-state cooled Al+ion without compromising its accuracy

Dawel, Fabian; Pelzer, Lennart; Dietze, Kai; Kramer, Johannes; Hild, Marek; King, Steven A.; Spethmann, Nicolas C. H.; Klose, Joshua; Stahl, Kilian; Dörscher, Sören; Benkler, Erik; Lisdat, Christian; Porsev, Sergey G.; Safronova, Marianna S.; Schmidt, Piet O.

doi:https://doi.org/10.1103/48zr-2t1p

Zugriffsnummer	56201
Dokumenttyp	Zeitschriftenartikel
Peer Review	mit Peer Review
Sprache	Englisch
Titel	High-stability optical clock based on a continuously ground-state cooled Al⁺ion without compromising its accuracy
Autor(in); Institution	Dawel, Fabian; QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology, PTB-Braunschweig Pelzer, Lennart; QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology, PTB-Braunschweig Dietze, Kai; QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology, PTB-Braunschweig Kramer, Johannes; QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology, PTB-Braunschweig Hild, Marek; QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology, PTB-Braunschweig King, Steven A.; QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology, PTB-Braunschweig Spethmann, Nicolas C. H.; QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology, PTB-Braunschweig ; formerly Klose, Joshua; 4.3, Quantenoptik und Längeneinheit, PTB-Braunschweig Stahl, Kilian; 4.3, Quantenoptik und Längeneinheit, PTB-Braunschweig Dörscher, Sören; 4.3, Quantenoptik und Längeneinheit, PTB-Braunschweig Benkler, Erik; 4.3, Quantenoptik und Längeneinheit, PTB-Braunschweig Lisdat, Christian; 4.3, Quantenoptik und Längeneinheit, PTB-Braunschweig Porsev, Sergey G.; Department of Physics and Astronomy, University of Delaware, Newark, Delaware, USA Safronova, Marianna S.; Department of Physics and Astronomy, University of Delaware, Newark, Delaware, USA Schmidt, Piet O.; QUEST Institute for Experimental Quantum Metrology, PTB-Braunschweig; Leibniz Universität Hannover, Institut für Quantenoptik, Hannover, GERMANY
Quelle/Jahr	Physical Review Research: 8 (2026), 2, 1 - 11
Artikelnummer	023327
Availability	[online only]
ISSN	2643-1564 (online)
DOI	https://doi.org/10.1103/48zr-2t1p
Verlag	College Park, Md.: American Physical Society (APS)
Freie Schlagworte	Optical clock ; Sympathetic colling ; ac-Stark shift ; Time-dilation shift
Zusammenfassung	Single-ion optical clocks have shown systematic frequency uncertainties below 10⁻¹⁸, but typically require more than one week of averaging to achieve a corresponding statistical uncertainty. This time can be reduced with longer probe times, but comes at the cost of a higher time-dilation shift due to motional heating of the ions in the trap. We show that sympathetic ground-state cooling using electromagnetically induced transparency of an Al⁺ clock ion via a cotrapped Ca⁺ ion during clock interrogation suppresses the heating of the ions. Al⁺ can be kept close to the motional ground state, independent from the chosen interrogation time, at a relative time-dilation shift of (−1.69±0.20)×10⁻¹⁸. The Ca⁺ cooling light introduces an additional light shift on the Al+ clock transition of (−9.3±1.1)×10⁻¹⁸. We project that the uncertainty of this light shift can be further reduced by nearly an order of magnitude. This sympathetic cooling enables seconds of interrogation time with 10⁻¹⁹ motional and cooling laser-induced uncertainties for Al⁺ and can be employed in other ion clocks as well.

Kostenfreier Zugang	Open Access Gold
Rechteinformation	CC BY 4.0 ; Creative Commons Attribution 4.0 License

Themenbereich der Metrologie	Zeit und Frequenz
Innovationscluster	Quantentechnologie
Geschäftsfelder	Grundlagen der Metrologie
Förderinformationen (1)	Förderername: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Förderer ID: 0000 0001 2096 9829 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: Germany's Excellence Strategy - EXC- 2123 QuantumFrontiers Titel der Förderung: EXC 2123 - Quantum Frontiers Förderungsnummer: 390837967
Förderinformationen (2)	Förderername: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Förderer ID: 0000 0001 2096 9829 Förderer ID Typ: ISNI Titel der Förderung: SFB 1227 DQ-mat Förderungsnummer: 274200144
Förderinformationen (3)	Förderername: European Commission (EC) Förderer ID: 0000 0001 2242 8989 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: Horizon 2020 Research and Innovation program Titel der Förderung: 20FUN01: TSCAC: Two-species composite atomic clocks Förderungsnummer: 20FUN01
Förderinformationen (4)	Förderername: European Commission (EC) Förderer ID: 0000 0001 2242 8989 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: Horizon 2020 Research and Innovation program Förderungsnummer: 101019987
Förderinformationen (5)	Förderername: Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt Förderer ID: 0000 0001 0860 4501 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: Clusters4Future Titel der Förderung: QVLS-iLabs Förderungsnummer: 03ZU1209EE
Förderinformationen (6)	Förderername: U. S. Office of Naval Research Förderungsnummer: N000142512105
Förderinformationen (7)	Förderername: European Commission (EC) Förderer ID: 0000 0001 2242 8989 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: EPM 2023 Fundamental Titel der Förderung: 23FUN03: HIOC: High-accuracy ion-based optical clocks Förderungsnummer: 23FUN03

Zitierung

Dawel, F., Pelzer, L., Dietze, K., Kramer, J., Hild, M., King, S. A., Spethmann, N. C. H., Klose, J., Stahl, K., Dörscher, S., Benkler, E., Lisdat, C., Porsev, S. G., Safronova, M. S., & Schmidt, P. O. (2026). High-stability optical clock based on a continuously ground-state cooled Al⁺ion without compromising its accuracy. Physical Review Research, 8(2), 1–11. https://doi.org/10.1103/48zr-2t1p

Exportieren

RIS BibTeX

Zitierung

Exportieren

PTB-Publica Menü