Optical lattice clocks (OLCs) have achieved an unprecedented relative systematic uncertainty of about 10^{-19}, establishing them as candidates for the upcoming redefinition of the second in the International System of Units. Currently, the accuracy of OLCs is primarily limited by black body radiation (BBR), cold collisions, and lattice light shift effects. Various strategies are being explored to mitigate these limitations, including using cryogenic environments to manage BBR and using new trapping geometries to control atomic distributions and interactions. In this project, we propose a new OLC setup that aims to characterize BBR and density effects below the 10^{-18} level. To achieve this goal, we have developed a copper science chamber that is placed inside a primary vacuum chamber. This configuration minimizes temperature inhomogeneities around the atoms to within a few tens of millikelvin (mK). The system features an adaptable one-dimensional (1D) optical lattice shaped with Laguerre-Gaussian LG_{0ell} modes to increase the number of trapping sites while reducing atomic occupancy per site. We created shaped lattices with values of ell from 0 to 4 whose trap depths were compatible with clock operation. We trapped thousands of atoms in TEM_{00}, LG_{01}and LG{02} shaped lattices and performed low-resolution clock spectroscopy on bosonic ^{88}Sr, yielding 100 Hz-wide transitions. To investigate cold collision effects, we plan to implement a second cooling stage using the ^1text{S}_0 rightarrow ^3text{P}_1 intercombination transition in strontium. This will increase atomic density, enhancing observable collision effects and enabling the detection of motional sidebands. These measurements will provide insight into the anharmonicity of LG-shaped lattices and help validate the lattice light shift model under varying trap conditions. Finally, the clock setup is still under construction. Current work focuses on enclosing the interrogation chamber within the primary vacuum to improve the thermal homogeneity and reduce the uncertainty related to BBR, and at the same time, the instrumentation required for high-resolution spectroscopy is currently being installed.
Optical lattice clocks (OLCs) have achieved an unprecedented relative systematic uncertainty of about 10^{-19}, establishing them as candidates for the upcoming redefinition of the second in the International System of Units. Currently, the accuracy of OLCs is primarily limited by black body radiation (BBR), cold collisions, and lattice light shift effects. Various strategies are being explored to mitigate these limitations, including using cryogenic environments to manage BBR and using new trapping geometries to control atomic distributions and interactions. In this project, we propose a new OLC setup that aims to characterize BBR and density effects below the 10^{-18} level. To achieve this goal, we have developed a copper science chamber that is placed inside a primary vacuum chamber. This configuration minimizes temperature inhomogeneities around the atoms to within a few tens of millikelvin (mK). The system features an adaptable one-dimensional (1D) optical lattice shaped with Laguerre-Gaussian LG_{0ell} modes to increase the number of trapping sites while reducing atomic occupancy per site. We created shaped lattices with values of ell from 0 to 4 whose trap depths were compatible with clock operation. We trapped thousands of atoms in TEM_{00}, LG_{01}and LG{02} shaped lattices and performed low-resolution clock spectroscopy on bosonic ^{88}Sr, yielding 100 Hz-wide transitions. To investigate cold collision effects, we plan to implement a second cooling stage using the ^1text{S}_0 rightarrow ^3text{P}_1 intercombination transition in strontium. This will increase atomic density, enhancing observable collision effects and enabling the detection of motional sidebands. These measurements will provide insight into the anharmonicity of LG-shaped lattices and help validate the lattice light shift model under varying trap conditions. Finally, the clock setup is still under construction. Current work focuses on enclosing the interrogation chamber within the primary vacuum to improve the thermal homogeneity and reduce the uncertainty related to BBR, and at the same time, the instrumentation required for high-resolution spectroscopy is currently being installed.
Les horloges à réseau optique (OLCs) ont atteint une incertitude systématique relative sans précédent, de l’ordre de 10^{-19}, ce qui en fait des candidates sérieuses pour la prochaine redéfinition de la seconde dans le Système international d’unités. Actuellement, leur budget d’exactitude est principalement limité par le rayonnement du corps noir (BBR), les collisions froides et les décalages induits par le réseau optique. Pour atténuer ces effets, plusieurs stratégies sont étudiées, comme l’utilisation d’environnements cryogéniques pour contrôler le BBR, ou encore de nouvelles géométries de piégeage pour maîtriser la distribution et les interactions atomiques. Dans ce projet, nous proposons une nouvelle configuration d’OLC visant à caractériser les effets liés au BBR et à la densité atomique en dessous du niveau de 10^{-18}. Pour cela, nous avons développé une chambre scientifique en cuivre, placée dans une enceinte à vide primaire, afin de réduire les inhomogénéités de température autour des atomes à quelques dizaines de millikelvins. Le système comprend aussi un réseau optique 1D adaptable, dont le profil transverse est structuré avec des modes Laguerre-Gauss (LG_{0ell}), permettant d’augmenter le nombre de sites de piégeage tout en réduisant le nombre d’atomes par site. Nous avons réalisé des réseaux pour ell = 0 à 4 avec des profondeurs compatibles avec le fonctionnement de l’horloge. Des milliers d’atomes ont été piégés dans des réseaux de types TEM_{00}, LG_{01} et LG_{02}, et une spectroscopie d’horloge à basse résolution a été réalisée sur l’isotope bosonique ^{88}Sr, donnant des transitions d’environ 100 Hz de largeur. Afin d’étudier les effets des collisions froides, une seconde étape de refroidissement utilisant la transition intercombinaison ^1text{S}_0rightarrow^3text{P}_1 du strontium est prévue. Elle permettra d’augmenter la densité atomique, de mieux observer les effets de collision et de détecter les bandes latérales vibrationnelles. Ces mesures fourniront des informations sur l’anharmonicité des réseaux façonnés par les modes LG, et permettront de valider le modèle de décalage du réseau dans différentes conditions de piégeage. Enfin, le système d’horloge est encore en cours d’assemblage. Les efforts actuels portent sur l’intégration de la chambre d’interrogation dans l’environnement à vide primaire pour améliorer l’homogénéité thermique et réduire l’incertitude liée au BBR. En parallèle, l’instrumentation nécessaire à la spectroscopie haute résolution est en cours d’installation.
Improving the performance of optical lattice clocks (OLC) relies on a comprehensive characterization of the effects limiting their accuracy and stability. Intending to reduce the limitation due to cold collisions of trapped atoms below the 10−18level, this paper reports on the progress about the development of a Sr OLC based on a 1D optical lattice with Laguerre-Gaussian (LG) transverse profile in an optical cavity, which allows an average site occupancy of less than one atom per site. We have generated LG0ℓpotentials and realized the trapping of Sr atoms in LG lattices up to ℓ=2, and present the clock spectroscopy of88Sr atoms trapped in these modes, aiming to characterize the residual cold-collisions.
Réseaux optiques avec des profils de Laguerre-Gauss pour une horloge optique au strontium Les horloges à réseau optique (OLCs) ont atteint une incertitude systématique relative sans précédent, de l’ordre de 10^{-19}, ce qui en fait des candidates sérieuses pour la prochaine redéfinition de la seconde dans le Système international d’unités. Actuellement, leur budget d’exactitude est principalement limité par le rayonnement du corps noir (BBR), les collisions froides et les décalages induits par le réseau optique. Pour atténuer ces effets, plusieurs stratégies sont étudiées, comme l’utilisation d’environnements cryogéniques pour contrôler le BBR, ou encore de nouvelles géométries de piégeage pour maîtriser la distribution et les interactions atomiques. Dans ce projet, nous proposons une nouvelle configuration d’OLC visant à caractériser les effets liés au BBR et à la densité atomique en dessous du niveau de 10^{-18}. Pour cela, nous avons développé une chambre scientifique en cuivre, placée dans une enceinte à vide primaire, afin de réduire les inhomogénéités de température autour des atomes à quelques dizaines de millikelvins. Le système comprend aussi un réseau optique 1D adaptable, dont le profil transverse est structuré avec des modes Laguerre-Gauss (LG_{0ell}), permettant d’augmenter le nombre de sites de piégeage tout en réduisant le nombre d’atomes par site. Nous avons réalisé des réseaux pour ell = 0 à 4 avec des profondeurs compatibles avec le fonctionnement de l’horloge. Des milliers d’atomes ont été piégés dans des réseaux de types TEM_{00}, LG_{01} et LG_{02}, et une spectroscopie d’horloge à basse résolution a été réalisée sur l’isotope bosonique ^{88}Sr, donnant des transitions d’environ 100 Hz de largeur. Afin d’étudier les effets des collisions froides, une seconde étape de refroidissement utilisant la transition intercombinaison ^1text{S}_0rightarrow^3text{P}_1 du strontium est prévue. Elle permettra d’augmenter la densité atomique, de mieux observer les effets de collision et de détecter les bandes latérales vibrationnelles. Ces mesures fourniront des informations sur l’anharmonicité des réseaux façonnés par les modes LG, et permettront de valider le modèle de décalage du réseau dans différentes conditions de piégeage. Enfin, le système d’horloge est encore en cours d’assemblage. Les efforts actuels portent sur l’intégration de la chambre d’interrogation dans l’environnement à vide primaire pour améliorer l’homogénéité thermique et réduire l’incertitude liée au BBR. En parallèle, l’instrumentation nécessaire à la spectroscopie haute résolution est en cours d’installation.
Controlling the Stark perturbation from ambient thermal radiation is key to advancing the performance of many atomic frequency standards. This thermal radiation perturbs the atomic energy levels, inducing a Stark shift to the clock frequency conventionally known as the BBR shift. For over four decades, the BBR shift has been a persistent challenge in the pursuit of better atomic clock performance. For room-temperature optical lattice clocks (OLCs) based on Yb and Sr, the BBR shift represents the largest uncanceled systematic frequency shift while typically also constituting the largest source of uncertainty in these state-of-the-art clocks at the ≈ 1 × 10−18 level. In this thesis, I report on the design, assembly and integration of a BBR enclosure, or “shield,” that achieves an unprecedented BBR shift uncertainty of 1.7 × 10−20 by furnishing the interrogated atoms with a near-ideal BBR environment at a cryogenic temperature, while still allowing all the critical quantum control functions required for clock operation. Also, I present a novel lattice loading technique, known as ratchet loading, which enables programmable control over the spatial distribution of ultra-cold atoms confined in an optical lattice. This method allows for the loading of a large number of atoms, effectively reducing quantum projection noise (QPN) while also mitigating frequency shifts caused by atomic interactions. Additionally, ratchet loading facilitates the creation of spatially resolved atomic ensembles along the lattice, making it particularly useful for lattice light shift measurements and potentially advantageous for emerging techniques that probe atomic coherence beyond the local oscillator (LO) coherence time. With the near-elimination of blackbody radiation (BBR) uncertainty and improved clock stability for systematic evaluations, the realization of a mid- to low-10−19 uncertainty Yb optical lattice clock is now more attainable than ever.
Aiming to improve the characterization of systematic effects in optical lattice clocks below 10−18, we propose the implementation of Laguerre-Gaussian modes (LGpl) to shape a multi-site trap in the 1D optical lattice of a Sr optical lattice clock, hence reducing the density of atoms, while preserving the advantages of 1D lattices. In this work, we demonstrate the generation of LG0lmodes with l up to 4, and the injection of these modes into an in-vacuum optical cavity intended for the dipole trapping of atoms. Trapping depths up to 200Erfor an LG04were obtained, a priori making it possible to implement LG modes within the clock sequence. We then propose and evaluate two different methods to load atoms in a LG profile.
We report an optical lattice clock with a total systematic uncertainty of 8.1×10^{-19} in fractional frequency units, representing the lowest uncertainty of any clock to date. The clock relies on interrogating the ultranarrow ^{1}S_{0}→^{3}P_{0} transition in a dilute ensemble of fermionic strontium atoms trapped in a vertically-oriented, shallow, one-dimensional optical lattice. Using imaging spectroscopy, we previously demonstrated record high atomic coherence time and measurement precision enabled by precise control of collisional shifts and the lattice light shift. In this work, we revise the black body radiation shift correction by evaluating the 5s4d ^{3}D_{1} lifetime, necessitating precise characterization and control of many body effects in the 5s4d ^{3}D_{1} decay. Last, we measure the second order Zeeman coefficient on the least magnetically sensitive clock transition. All other systematic effects have uncertainties below 1×10^{-19}.