As the 1 S 0 → 3 P 0 clock transition of 24 Mg is a J = 0 → J = 0 transition, it is forbidden for single photon processes.Therefore, magnetic field induced spectroscopy was performed.In this spectroscopy method, the 3 P 0 state is coupled to the 3 P 1 state by a magnetic field, whereby the clock transition becomes weakly allowed.Using this method it was possible to de-excite 25 % of the atoms trapped in the optical lattice in the 3 P 0 state via the clock transition.
As the 1 S 0 → 3 P 0 clock transition of 24 Mg is a J = 0 → J = 0 transition, it is forbidden for single photon processes.Therefore, magnetic field induced spectroscopy was performed.In this spectroscopy method, the 3 P 0 state is coupled to the 3 P 1 state by a magnetic field, whereby the clock transition becomes weakly allowed.Using this method it was possible to de-excite 25 % of the atoms trapped in the optical lattice in the 3 P 0 state via the clock transition.
State-of-the-art optical clocks based on neutral atoms have already surpassed the world's best microwave atomic clocks in both accuracy and stability, paving the way to high-precision measurements of elementary aspects of nature, like the search for the drift of fundamental constants or the application of relativistic geodesy.These clocks operate with ensembles trapped in an optical lattice.Normally, high-power trapping laser fields induce a large AC Stark shift on the clock's transition frequency, as the clock states have different polarizabilities.A key feature of lattice clocks is the magic wavelength, for which the atomic polarizabilities of the clock states are equal, therefore compensating a differential frequency shift on the clock transition.In the periodic potential of the optical lattice, the energy spectrum of motional states features a band structure, analogous to electrons in a crystalline structure well-known from solid state physics.Within this band structure, atoms can tunnel between adjacent lattice sites.As a consequence from tunneling motion, the clock transition experiences a frequency shift and a broadening, which becomes pronounced in the shallow lattice regime.This work presents the first demonstration of a 24 Mg optical lattice clock including the precise determination of the frequency of the clock transition, its magic wavelength and its second-order Zeeman shift.Furthermore, the effect of tunneling in an optical lattice for magnesium has been extensively studied via optical spectroscopy of Bloch bands and substantiated with theoretical models, that were initially developed for a strontium optical lattice clock.Measuring lattice light induced frequency shifts of the clock transition for various lattice wavelengths and intensities, yielded a value of the magic wavelength of the 1 S 0 → 3 P 0 clock transition in 24 Mg of 468.463(207) nm.This value is in well agreement with a recent theoretical calculation of 468.45(23) nm, using a refined atomic structure model.The experimental value for the magic wavelength was independently verified with optical spectroscopy of Bloch bands carried out on the clock transition.Here, the AC Stark modified band structure is directly probed by a single frequency scan of the carrier resonance, featuring an asymmetric line shape, that is strongly dependent on the lattice wavelength.This technique demonstrates a novel method for the determination of the magic wavelength and could also be applied to other atomic species.In bosonic isotopes of alkaline earth(-like) elements, like 24 Mg, optical dipole excitation of the spin-forbidden 1 S 0 → 3 P 0 clock transition can be enhanced, e.g. by applying an external magnetic field.While these bosons are insensitive to first-order Zeeman shifts, the second-order Zeeman effect displays a dominant contribution to the clock's error budget.In this thesis, the magnetic polarizability β is measured to be -206.6(2.0)MHz/T 2 , consistent with a theoretical calculation, and the clock transition frequency was found to be 655 058 646 691(101) kHz.
We report direct single-laser excitation of the strictly forbidden (6s2)1S0 <--> (6s6p)3P0 clock transition in 174Yb atoms confined to a 1D optical lattice. A small (approximately 1.2 mT) static magnetic field was used to induce a nonzero electric dipole transition probability between the clock states at 578.42 nm. Narrow resonance linewidths of 20 Hz (FWHM) with high contrast were observed, demonstrating a resonance quality factor of 2.6 x 10(13). The previously unknown ac Stark shift-canceling (magic) wavelength was determined to be 759.35 +/- 0.02 nm. This method for using the metrologically superior even isotope can be easily implemented in current Yb and Sr lattice clocks and can create new clock possibilities in other alkaline-earth-like atoms such as Mg and Ca.
We develop a method of spectroscopy that uses a weak static magnetic field to enable direct optical excitation of forbidden electric-dipole transitions that are otherwise prohibitively weak. The power of this scheme is demonstrated using the important application of optical atomic clocks based on neutral atoms confined to an optical lattice. The simple experimental implementation of this method--a single clock laser combined with a dc magnetic field--relaxes stringent requirements in current lattice-based clocks (e.g., magnetic field shielding and light polarization), and could therefore expedite the realization of the extraordinary performance level predicted for these clocks. We estimate that a clock using alkaline-earth-like atoms such as Yb could achieve a fractional frequency uncertainty of well below 10(-17) for the metrologically preferred even isotopes.
We optically excite the electronic state 3s3p ^{3}P_{0} in ^{24}Mg atoms, laser cooled and trapped in a magic-wavelength lattice. An applied magnetic field enhances the coupling of the light to the otherwise strictly forbidden transition. We determine the magic wavelength, the quadratic magnetic Zeeman shift, and the transition frequency to be 468.46(21) nm, -206.6(2.0) MHz/T^{2}, and 655 058 646 691(101) kHz, respectively. These are compared with theoretical predictions and results from complementary experiments. We also develop a high-precision relativistic structure model for magnesium, give an improved theoretical value for the blackbody radiation shift, and discuss a clock based on bosonic magnesium.
Mit ihren relativen Instabilitäten und Ungenauigkeiten von nur noch wenigen 10^-18 übertreffen optische Frequenzstandards bereits heutzutage die derzeit besten Mikrowellen-Atomuhren um mehrere Größenordnungen. Neben der präzisen Zeitmessung gerät auf diesem Niveau die Beantwortung fundamentaler physikalische Fragestellungen sowie die relativistische Geodäsie in greifbare Nähe. Im Falle optischer Gitteruhren wird ein Ensemble lasergekühlter neutraler Atome in einem optischen Gitter spektroskopiert. Damit das Gitterlicht die Genauigkeit der Abfrage nicht limitiert, ist dazu der Betrieb bei der magischen Wellenlänge notwendig. Hier ist die Polarisierbarkeit beider Uhrenzustände in erster Ordnung identisch, sodass die über den AC-Stark-Effekt induzierte differentielle Energieverschiebung verschwindet. In dieser Arbeit wurde erstmalig eine Gitteruhr basierend auf bosonischem Magnesium-24 realisiert. Im Vergleich zu den besten gitterbasierten Frequenzstandards mit Strontium und Ytterbium, ist Magnesium um etwa eine Größenordnung weniger sensitiv auf Schwarzkörperstrahlung. Diese über die Umgebungstemperatur verursachte Systematik stellt bei Raumtemperatur den größten frequenzverschiebenden Beitrag bei Strontium sowie Ytterbium dar und begrenzte lange Zeit auch deren Unsicherheit. Einer der Kernpunkte dieser Arbeit behandelt die Untersuchung und Minimierung von frequenzverbreiternden Mechanismen bei der Spektroskopie. Zu Beginn betrug die auflösbare Übergangslinienbreite, bedingt durch Tunneln im Gitter, mehrere kHz. Dies konnte durch ein verbessertes Gitterlasersystem gelöst werden, mit dem nun Gittertiefen von mehr als 42 ER realisierbar sind. In diesem Regime beträgt der alleinige Einfluss durch Tunnelverbreiterung nur noch bei 24 Hz, sodass weitere Verbreiterungsmechanismen in den Vordergrund treten – allem voran die Anregungsfelder sowie die Zustandspräparation im Gitter. Konsequenterweise wurden der Uhrenlaser, das benötigte Magnetfeld und die Gitterbesetzung untersucht und deren Homogenität bestmöglich sichergestellt. Anhand dieser Verbesserungen ist eine minimale Linienbreite von 51(3) Hz demonstriert worden, womit sich der beste für Magnesium realisierte Gütefaktor zu Q = 1,3×10^13 bestimmt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der atomaren Anbindung des Uhrenlasers sowie der Stabilitätsuntersuchung. In einem Selbstvergleich konnten so Instabilitäten von nur noch 5,1 +2,9/-1,1×10^-16 demonstriert werden. Das Integrationsverhalten war dabei vollständig durch Detektionsrauschen limitiert und lag mit 1,1×10^-14 (t/s)^(-1/2) noch deutlich über dem Dick-Limit von 1×10^-15 (t/s)^(-1/2). Aufgrund der starken Gleichtaktunterdrückung im Selbstvergleich, kann die Instabilität der Magnesium-Gitteruhr allerdings nicht unverfälscht bestimmt werden. Daher sind Stabilitätsanalysen gegen unabhängige Frequenzstandards der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig durchgeführt worden. Dazu kam ein 73 km langer Faserlink zum Einsatz, welcher der Leibniz Universität Hannover den für Universitäten einzigartigen Zugang zu einem wachsenden europäischen Frequenznetzwerk gewährt. Im Vergleich gegen eine Strontium-Gitteruhr wurde beobachtet, dass die Instabilität von Magnesium bei etwa 2×10^-15 begrenzt ist. Als Ursache sind Schwankungen in der Uhrenlaserleistung und damit einhergehende AC-Stark-Variationen identifiziert worden. Über die in situ Bestimmung dieser Abweichungen mit anschließender Nachkorrektur, konnte die Instabilität in einer zweiten Messung gegen eine Ytterbium-Ionenuhr auf 7,7 +5,0/-1,3×10^-16 reduziert werden. Dies stellt die geringste jemals mit Magnesium demonstrierte Instabilität in einer Frequenzmessung dar.