Optical clocks have demonstrated the lowest uncertainties among allexperimental devices with applications in time keeping as well as fortests of fundamental physics. Their exceptional accuracy is realised byreferencing their frequency to an electronic transition in either neutralor singly-charged atoms. The achieved uncertainties are often limitedby external perturbations shifting the measured transition frequency.Highly charged ions (HCI) are intrinsically less sensitive to external-fieldperturbations, making them interesting candidates for such anapplication. The construction of a HCI-based optical clock was foralong time prohibited by the megakelvin temperatures at which HCIare produced. Only in recent years, isolation and sympathetic coolingof individual HCI in a Paul trap has been achieved, which enables theapplication of quantum logic spectroscopy (QLS), resolving a narrowtransition with Hz-level accuracy.In this thesis, the first optical clock based on a HCI is presented.For this, QLS is used to coherently excite the 2P1/2 - 2P3/2 transition at441 nm in Ar13+. The large charge-to-mass ratio mismatch betweenthe employed ions (40Ar13+, 9Be+), leads to challenges for coolingof some of the motional modes. This is overcome by employing anovel algorithmic cooling protocol, leading to the lowest temperaturereported for a HCI. A detailed evaluation of the experimental setupyields a systematic uncertainty of 2 × 10^−17 comparable to manyoptical clocks in operation. A path to an uncertainty below 10^−18is discussed and can be achieved with technical improvements. Anoptical clock comparison was performed and the derived absolutefrequency of the clock transition improves its uncertainty by eightorders of magnitude. A nine orders of magnitude improvement of theisotope shift (40Ar13+ - 36Ar13+) resolves the quantum electrodynamicalnuclear recoil, an effect not previously observed in a many-electronsystem.The Ar13+ clock is limited by its statistical uncertainty, which canbe overcome by employing species offering transitions with narrowerlinewidth. However, their experimental determination remains challengingin the absence of data from fluorescence measurements. To aidwith this, an optical dipole force technique is demonstrated, which isinitial-state preserving and achieves broader linewidths than conventionalRabi interrogation. This will allow a plethora of clock transitionsin HCI to be experimentally identified before employing them in opticalclocks.
Optische Uhren sind die Versuchsaufbauten mit der geringsten Unsicherheit.Dadurch finden sie Anwendung sowohl in der Zeitmessungals auch bei Test der Grundlagenphysik. Ihre außerordentliche Genauigkeitwird erreicht, in dem ihre Frequenz auf einen elektronischenÜbergang in neutralen oder einfach geladenen Atomen referenziertwird. Die erzielten Ungenauigkeiten sind häufig limitiert durch externeStörungen, die die Übergangsfrequenz verschieben. HochgeladeneIonen (HCI) sind intrinsisch weniger sensitive auf Störungen durchexterne Felder, was sie zu interessanten Kandidaten für solche eine Anwendungmachen. Der Bau einer optischen Uhr basierend auf einemHCI war lange nicht möglich, da sie bei Megakelvin Temperaturen erzeugtwerden. Erst in den letzten Jahren, wurde die Isolation und dassympathetische Kühlen einzelner HCI in einer Paul Falle erreicht, wasQuantenlogik Spektroskopie (QLS) mit Hz-Genauigkeit ermöglicht.In dieser Arbeit wird die erste optische Uhr basierend auf einemHCI präsentiert. Hierzu wurde QLS verwendet um den 2P1/2 - 2P3/2Übergang bei 441 nm in Ar13+ koheränt anzuregen. Der große Unterschiedim Ladungs-zu-Mass Verhältnis der verwendeten Ionen(40Ar13+, 9Be+) führt zu Schwierigkeiten beim Kühlen bestimmterBewegungsmoden. Dies wird gelöst, in dem eine neue algorithmischeKühlmethode verwendet wird, wobei die niedrigste je berichteteTemperatur für ein HCI erreicht wird. Eine detaillierte Untersuchungdes experimentellen Aufbaus liefert eine systematische Unsicherheitvon 2 × 10^−17, was vergleichbar ist mit anderen optischen Uhren.Ein Uhrenvergleich wurde durchgeführt und die daraus abgeleitedeÜbergangsfrequenz verbessert deren Genauigkeit um acht Größenordnungen.Die Isotopieverschiebung (40Ar13+ - 36Ar13+) wird um neunGrößenordnungen genauer gemessen, was den quantenelektrodynamischenKernrückstoß auflöst, ein Effekt der zuvor nicht in einemMehrelektronen System beobachtet wurde.Die Ar13+ Uhr ist limitiert durch ihre statistische Unsicherheit. Dieskann überwunden werden in dem ein System mit einem Übergang mitschmallerer Linienbreite verwendet wird. Deren experimenteller Nachweisbleibt schwiering solange keine Daten aus Fluroszensmessungvorliegen. Um dies zu verbessern, wird eine optische Dipolkraft demonstriert,welche zustandserhaltend ist und eine größere Linienbreiteerreicht als konventionelle Rabi-Anregung. Dies ermöglichte es eineVielzahl von Uhrenübergängen in HCI experimentell zu identifizieren,bevor sie in optischen Uhren genutzt werden.