Optical clocks have demonstrated the lowest uncertainties among all
experimental devices with applications in time keeping as well as for
tests of fundamental physics. Their exceptional accuracy is realised by
referencing their frequency to an electronic transition in either neutral
or singly-charged atoms. The achieved uncertainties are often limited
by external perturbations shifting the measured transition frequency.
Highly charged ions (HCI) are intrinsically less sensitive to external-field
perturbations, making them interesting candidates for such an
application. The construction of a HCI-based optical clock was for
along time prohibited by the megakelvin temperatures at which HCI
are produced. Only in recent years, isolation and sympathetic cooling
of individual HCI in a Paul trap has been achieved, which enables the
application of quantum logic spectroscopy (QLS), resolving a narrow
transition 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 at
441 nm in Ar13+. The large charge-to-mass ratio mismatch between
the employed ions (40Ar13+, 9Be+), leads to challenges for cooling
of some of the motional modes. This is overcome by employing a
novel algorithmic cooling protocol, leading to the lowest temperature
reported for a HCI. A detailed evaluation of the experimental setup
yields a systematic uncertainty of 2 × 10^−17 comparable to many
optical clocks in operation. A path to an uncertainty below 10^−18
is discussed and can be achieved with technical improvements. An
optical clock comparison was performed and the derived absolute
frequency of the clock transition improves its uncertainty by eight
orders of magnitude. A nine orders of magnitude improvement of the
isotope shift (40Ar13+ - 36Ar13+) resolves the quantum electrodynamical
nuclear recoil, an effect not previously observed in a many-electron
system.
The Ar13+ clock is limited by its statistical uncertainty, which can
be overcome by employing species offering transitions with narrower
linewidth. However, their experimental determination remains challenging
in the absence of data from fluorescence measurements. To aid
with this, an optical dipole force technique is demonstrated, which is
initial-state preserving and achieves broader linewidths than conventional
Rabi interrogation. This will allow a plethora of clock transitions
in HCI to be experimentally identified before employing them in optical
clocks.
Optische Uhren sind die Versuchsaufbauten mit der geringsten Unsicherheit.
Dadurch finden sie Anwendung sowohl in der Zeitmessung
als auch bei Test der Grundlagenphysik. Ihre außerordentliche Genauigkeit
wird erreicht, in dem ihre Frequenz auf einen elektronischen
Übergang in neutralen oder einfach geladenen Atomen referenziert
wird. Die erzielten Ungenauigkeiten sind häufig limitiert durch externe
Störungen, die die Übergangsfrequenz verschieben. Hochgeladene
Ionen (HCI) sind intrinsisch weniger sensitive auf Störungen durch
externe Felder, was sie zu interessanten Kandidaten für solche eine Anwendung
machen. Der Bau einer optischen Uhr basierend auf einem
HCI war lange nicht möglich, da sie bei Megakelvin Temperaturen erzeugt
werden. Erst in den letzten Jahren, wurde die Isolation und das
sympathetische Kühlen einzelner HCI in einer Paul Falle erreicht, was
Quantenlogik Spektroskopie (QLS) mit Hz-Genauigkeit ermöglicht.
In dieser Arbeit wird die erste optische Uhr basierend auf einem
HCI präsentiert. Hierzu wurde QLS verwendet um den 2P1/2 - 2P3/2
Übergang bei 441 nm in Ar13+ koheränt anzuregen. Der große Unterschied
im Ladungs-zu-Mass Verhältnis der verwendeten Ionen
(40Ar13+, 9Be+) führt zu Schwierigkeiten beim Kühlen bestimmter
Bewegungsmoden. Dies wird gelöst, in dem eine neue algorithmische
Kühlmethode verwendet wird, wobei die niedrigste je berichtete
Temperatur für ein HCI erreicht wird. Eine detaillierte Untersuchung
des experimentellen Aufbaus liefert eine systematische Unsicherheit
von 2 × 10^−17, was vergleichbar ist mit anderen optischen Uhren.
Ein Uhrenvergleich wurde durchgeführt und die daraus abgeleitede
Übergangsfrequenz verbessert deren Genauigkeit um acht Größenordnungen.
Die Isotopieverschiebung (40Ar13+ - 36Ar13+) wird um neun
Größenordnungen genauer gemessen, was den quantenelektrodynamischen
Kernrückstoß auflöst, ein Effekt der zuvor nicht in einem
Mehrelektronen System beobachtet wurde.
Die Ar13+ Uhr ist limitiert durch ihre statistische Unsicherheit. Dies
kann überwunden werden in dem ein System mit einem Übergang mit
schmallerer Linienbreite verwendet wird. Deren experimenteller Nachweis
bleibt schwiering solange keine Daten aus Fluroszensmessung
vorliegen. Um dies zu verbessern, wird eine optische Dipolkraft demonstriert,
welche zustandserhaltend ist und eine größere Linienbreite
erreicht als konventionelle Rabi-Anregung. Dies ermöglichte es eine
Vielzahl von Uhrenübergängen in HCI experimentell zu identifizieren,
bevor sie in optischen Uhren genutzt werden.