Advanced

Characterization of a Zeeman Slower Designed for a 87 Sr Optical Clock

Olsson, Jonas LU (2015) FYSK01 20142
Department of Physics
Synchrotron Radiation Research
Abstract
Optical clocks will potentially become the new frequency standard for the
SI-definition of the second. Many national metrology institutes around the
world have already implemented different versions of such clocks and others
are in process of doing so. At SP Technical Research Institute of Sweden,
this process has recently begun. This thesis investigates the properties of the
Zeeman slower that is to be used as part of the clock. A simple Gaussmeter
was constructed from a semiconductor Hall sensor and used to measure the
magnetic field profile of the slower. This report also contains the design for an
electronic control circuit based on the Arduino platform, which can be used
to control the magnetic field. The results showed that the... (More)
Optical clocks will potentially become the new frequency standard for the
SI-definition of the second. Many national metrology institutes around the
world have already implemented different versions of such clocks and others
are in process of doing so. At SP Technical Research Institute of Sweden,
this process has recently begun. This thesis investigates the properties of the
Zeeman slower that is to be used as part of the clock. A simple Gaussmeter
was constructed from a semiconductor Hall sensor and used to measure the
magnetic field profile of the slower. This report also contains the design for an
electronic control circuit based on the Arduino platform, which can be used
to control the magnetic field. The results showed that the particular slower
investigated here will likely not need a control circuit. However, the control
circuit can be used in other optical clocks or even in other applications. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Mot ökad tidsnoggrannhet i Sverige
Atomur baserade på mikrovågor är i dag den teknik som används för tidshållning. Snart kan detta komma att förändras i och med optiska klockor. Dessa klockor har bland annat potential att kunna förbättra satellitbaserade navigeringssystem som GPS och har en så hög noggrannhet att det öppnar upp nya möjligheter för forskning kring gravitation.

En klocka är fundamental för tidsmätning. I sitt enklaste utförande är en klocka ett periodiskt fenomen, kombinerat med en enhet som räknar varje gång perioden upprepas från en given startpunkt. Det första kallas ofta för resonator och det andra helt enkelt för räknare. Denna enkla uppsättning kan dela in tid i mindre delar baserat på periodtiden hos resonatorn.... (More)
Mot ökad tidsnoggrannhet i Sverige
Atomur baserade på mikrovågor är i dag den teknik som används för tidshållning. Snart kan detta komma att förändras i och med optiska klockor. Dessa klockor har bland annat potential att kunna förbättra satellitbaserade navigeringssystem som GPS och har en så hög noggrannhet att det öppnar upp nya möjligheter för forskning kring gravitation.

En klocka är fundamental för tidsmätning. I sitt enklaste utförande är en klocka ett periodiskt fenomen, kombinerat med en enhet som räknar varje gång perioden upprepas från en given startpunkt. Det första kallas ofta för resonator och det andra helt enkelt för räknare. Denna enkla uppsättning kan dela in tid i mindre delar baserat på periodtiden hos resonatorn. Genom att öka dess frekvens så kan tiden delas i mindre delar.

Det första atomuret som var noggrannare än andra klocktekniker byggdes 1955 vid National Physics Laboratory i Storbritannien. Denna klocka var baserad på mikrovågsstrålning från cesium. Den nuvarande definitionen av sekunden baseras på 9192631770 (ungefär 9,2 GHz) svängningar av den här strålningen. Om man kunde resa tillbaka fem miljoner år, till tiden då människan började separeras från aporna, och starta en cesiumklocka så skulle den endast visa en sekund fel idag.

De senaste 30 åren har flera stora tekniska framsteg skett som har lett till nya tekniker för att ytterligare förbättra noggrannheten hos atomuren. De två viktigaste framgångarna kom med laserkylning av atomer och den så kallade frekvenskammen. Laserkylning har gjort det möjligt att kyla atomer, i princip, till absoluta nollpunkten. Detta medför att atomerna knappt rör sig och deras frekvens kan bestämmas ännu noggrannare. Frekvenskammen har öppnat upp för en helt ny typ av optiska atomur. De nya optiska klockorna baseras på atomernas optiska strålning istället för mikrovågsstrålningen, och "tickar" således flera storleksordningar snabbare (typiskt kring 500 THz) än dagens cesiumklockor. Skulle en optisk klocka startas samtidigt som big bang för 14 miljarder år sedan skulle den inte ens visa en sekund fel idag.

Den optiska klocka som skall byggas vid SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut kommer vara baserad på strontium. Det arbete som har dokumenterats i den här uppsaten rör utvärdering av prestandan hos den del av laserkylningssystemet som kallas för "Zeeman slower". Denna del fungerar som ett första steg i nedkylningen av atomerna innan tidsmätningen kan på börjas. Projektet innehöll även design och konstruktion av en prototypkrets för elektronisk styrning av Zeeman slowern. Resultaten visade att utrustningen var väl anpassad för uppgiften och att styrkretsen troligtvis inte kommer behövas för god prestanda. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Olsson, Jonas LU
supervisor
organization
course
FYSK01 20142
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
metrology, time, frequency, atomic clock, optical clock, strontium, frequency comb, zeeman slower, arduino
language
English
id
4927084
date added to LUP
2015-01-12 13:53:50
date last changed
2015-06-02 09:37:35
@misc{4927084,
  abstract     = {Optical clocks will potentially become the new frequency standard for the
SI-definition of the second. Many national metrology institutes around the
world have already implemented different versions of such clocks and others
are in process of doing so. At SP Technical Research Institute of Sweden,
this process has recently begun. This thesis investigates the properties of the
Zeeman slower that is to be used as part of the clock. A simple Gaussmeter
was constructed from a semiconductor Hall sensor and used to measure the
magnetic field profile of the slower. This report also contains the design for an
electronic control circuit based on the Arduino platform, which can be used
to control the magnetic field. The results showed that the particular slower
investigated here will likely not need a control circuit. However, the control
circuit can be used in other optical clocks or even in other applications.},
  author       = {Olsson, Jonas},
  keyword      = {metrology,time,frequency,atomic clock,optical clock,strontium,frequency comb,zeeman slower,arduino},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Characterization of a Zeeman Slower Designed for a 87 Sr Optical Clock},
  year         = {2015},
}