Title Development of an optical frequency standard Title (croatian) Razvoj optičkog frekventnog standarda Author Domagoj Kovačić Mentor Ticijana Ban (mentor)Mentor Piotr Maslowski Committee member Hrvoje Buljan (predsjednik povjerenstva)Committee member Piotr Maslovski Committee member Ticijana Ban (član povjerenstva)Committee member Michał Zawada Committee member Peter Jeglič Granter University of Zagreb Defense date and country 2023-03-14, Croatia Scientific / art field, NATURAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 53 - Physics Abstract Obviously, this thesis on optical atomic clocks is not the first of its kind. Many excellent disertations on strontium optical atomic clocks and optical clocks in general are readily available [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. I have used these thesses extensively while researching for and writing my own doctoral thesis. It is my hope that my own thesis will contribute in some small way to this vast sea of excellent doctoral works and aid future young researchers when they start their journey into the field of optical atomic clocks.
This thesis will primarily focus on the work I (and other members of in POZA group at Nicolaus Copernicus University) have done during my 3 year stay with the group of prof hab. Michał Zawada. In this thesis, I will do my best to clearly differentiate between my own work and work done by other members of the POZA team. As a dual PhD student, I’ve had the honor and the pleasure to be a member of two research groups. The first group is the Quantum technologies group (QT) lead by dr.sc. Ticijana Ban at Center for Advanced Laser Techniques (CALT) at the Institute of Physics in Zagreb, Croatia. The second group is the Polish optical atomic clock (POZA) group lead by prof. hab. Michał Zawada at Nicolaus Copernicus University in Toru´n, Poland. When I first joined the POZA group, two bosonic optical clocks (which will be referred to as Sr 1 and Sr 2 in this thesis) were already fully operational. The construction of a third clock, which was to be based on effect of superradiance of strontium atoms in a blue magic wavelength lattice, was just beginning.
This thesis will be separated into six distinct chapters. Chapter 1 (which the reader is currently reading) covers the fundamentals of optical atomic clocks and introduces the terminology used in optical atomic clock physics such as accuracy, stability, fractional stability and so forth. Chapter 2 provides the theoretical background of the steps required to achieve clock operation. It will introduce the basics of Doppler cooling and magneto-optical traps, as well as properties of the strontium atom and its isotopes. It will then focus on methods used in cooling of two different strontium isotopes - the bosonic 88Sr and fermionic 87Sr. It will then move on to introduction of optical lattices, their magic wavelengths and atomic polarizabilities of clock states of the strontium atom. It finally finishes with high-precision spectroscopy of the clock transition in strontium and digital locking of the clock laser to the atomic line of the clock frequency.
Chapter 3 presents measurements of photoionization cross sections of atomic states used in optical clock cycle of 88Sr. These photoionization cross sections where measured at the newly proposed blue magic wavelength. It will then present my own theoretical work on the study of feasibility of using blue magic wavelength optical lattice optical clocks. It will end by presenting my work of examining photoionization induced losses of atoms in blue magic wavelength optical lattice, the resulting constraints on blue magic wavelength lattice optical clocks and possible mitigation measures.
Chapter 4 presents experimental work done by myself and other members of POZA group on redesign and upgrading of Sr 1 optical clock to enable simultaneous (and intermittent) operation of both the bosonic and fermionic optical clock.
Chapter 5 presents results on my work on getting the fermionic optical clock in Sr 1 fully operational. It will examine the loading of the fermionic blue and red MOTs. Also, where feasible, it will make comparisons with its bosonic counterpart.
Chapter 6 will present the evaluation of systematic shifts (accuracy budget) for the bosonic optical clock in Sr 1 as part of our international March 2022 campaign. Appendix A will show the work (in form of published articles) I’ve done (in collaboration with other members of the QT group) on cooling of 87Rb and 85Rb using a frequency comb, as well the examination of frequency-comb-induced radiation pressure force in dense atomic clouds.
Abstract (croatian) Ova teza o optičkim atomskim satovima nije prva te vrste. Mnoge izvrsne disertacije o stroncijevim optičkim atomskim satovima i optičkim satovima općenito su već dostupne [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. Opsežno sam koristio ove teze dok sam istraživao i pisao svoj doktorski rad. Nadam se da će moja vlastita teza donekle pridonijeti ovom golemom moru izvrsnih doktorskih radova i pomoći budućim mladim istraživačima kada krenu na svoje putovanje u područje optičkih atomskih satova. Ovaj diplomski rad prvenstveno će se fokusirati na rad koji sam ja (i drugi članovi POZA grupe na Sveučilištu Nikole Kopernika) obavili tijekom mog trogodišnjeg boravka u grupi prof.hab. Michała Zawade. U ovom diplomskom radu nastojat ću jasno razlikovati svoj doprinos od doprinosu ostalih članova POZA tima. Kao dvojni doktorand, imao sam čast i zadovoljstvo biti članom dviju istraživačkih grupa. Prva grupa je Grupa za kvantne tehnologije (QT) koju vodi dr.sc. Ticijana Ban u Centru za napredne laserske tehnike (CALT) na Institutu za fiziku u Zagrebu, Hrvatska. Druga grupa je Grupa za poljski optički atomski sat (POZA) koju vodi prof. hab. Michał Zawada na Sveučilištu Nikola Kopernik u Toru´nu, Poljska. Kad sam se tek pridružio POZA grupi, dva bozonska optička sata (koji će se u ovom diplomskom radu nazivati Sr 1 i Sr 2) već su bila u potpunosti operativna. Izgradnja trećeg sata, koji se trebao temeljiti na učinku superradijativnosti atoma stroncija u optičkoj rešetci plave magične valne duljine, tek je počinjala. Ova teza biti će podijeljena u šest zasebnih poglavlja.
Poglavlje 1 (koje čitatelj upravo čita) pokriva osnove optičkih atomskih satova i uvodi terminologiju koja se koristi u fizici optičkih atomskih satova kao što su točnost, stabilnost, frakcionalna stabilnost i tako dalje.
Poglavlje 2 pružit će teorijsku pozadinu koraka potrebnih za postizanje rada optičkog atomskog sata. Upoznat će čitatelja s osnovama Dopplerovog hlađenja i magneto-optičkih zamki, kao i svojstvima atoma stroncija i njegovih izotopa. Zatim će se usredotočiti na metode koje se koriste u hlađenju dvaju različitih izotopa stroncija - bozonskog 88Sr i fermionskog 87Sr. Zatim će se prijeći na uvod u optičke rešetke, njihove magične valne duljine i atomske polarizabilnosti satnog stanja atoma stroncija. Konačno završava visokopreciznom spektroskopijom satnog prijelaza u stronciju koja se koristi za pronalaženje satnog prijelaza u optičkom atomskom satu. Nakon što je prijelaz lociran, digitalno zaključavamo naš satni laser na atomsku liniju satnog prijelaza.
Poglavlje 3 predstavit će mjerenja fotoionizacijskih poprečnih presjeka atomskih stanja koja se koriste u ciklusu optičkog sata za 88Sr. Ovi presjeci izmjereni su na novopredloženoj plavoj magičnoj valnoj duljini. Zatim će predstaviti moj vlastiti teorijski rad na proučavanju izvedivosti korištenja optičkih rešetki sa plavom magičnom valnom duljinom u optičkim atomskim satovima. Završit ću predstavljanjem mog rada na ispitivanju gubitaka atoma u magnetooptičkoj stupici izazvanih fotoionizacijom atoma u optičkoj rešetki sa plavom magičnom valnom duljinom, rezultirajućih ograničenja optičkih satova sa optičkim rešetkama sa plavom magičnom valnom duljinom i mogućih mjera za ublažavanje navedenih gubitaka.
Poglavlje 4 predstavit će eksperimentalni rad koji sam obavio ja i drugi članovi grupe POZA na redizajnu i nadogradnji Sr 1 optičkog sata kako bi se omogućio istovremeni (i isprekidani) rad bozonskog i fermionskog optičkog sata.
Poglavlje 5 predstavit će preliminarne rezultate mog rada na postizanju operabilnosti fermionskog optičkog sata u Sr 1. Ispitat će se spremanje atoma u plavu i crvenu fermionsku magnetooptičku stupicu. Također, gdje je to mogu će, napravit će se usporedbe sa bozonskom plavom i crvenom magneto-optičkom stupicom.
Poglavlje 6 predstavit će procjenu sistematskih pomaka (eng. systematic shifts) satnog prijelaza za bozonski optički sat u Sr 1 kao dio naše međunarodne kampanje iz ožujka 2022.
U poglavlju 7 dan je zaključni pregled rezultata ovog doktorskog rada, kao i perspektive za daljnja istraživanja.
Dodatak A će pokazati rad (u obliku objavljenih članaka) koji sam obavio (u suradnji s drugim članovima QT grupe) na hlađenju 87Rb i 85Rb korištenjem frekventnog češlja, kao i ispitivanje sile zračenja inducirane frekventnim češljem u gustim atomskim oblacima.
Keywords
cold atoms
strontium optical atomic clock
blue magic wavelength
blue magic wavelength optical atomic clock
photoionization
Keywords (croatian)
hladni atomi
stroncij
optički atomski sat
optička rešetka
plava magična valna duljina
fotoionizacija
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:217:921580 Promotion 2023 Study programme Title: Physics Type of resource Text Extent 140 str. File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2023-03-17 14:04:25
