Development of a strontium optical lattice clock for the SOC mission on the ISS

Kai Bongs; Yeshpal Singh; Lyndsie Smith; Wei He; Ole Kock; Dariusz Świerad; Joshua Hughes; Stephan Schiller; Soroosh Alighanbari; Stefano Origlia; Stefan Vogt; Uwe Sterr; Christian Lisdat; Rodolphe Le Targat; Jérôme Lodewyck; David Holleville; Bertrand Venon; Sébastien Bize; Geoffrey P. Barwood; Patrick Gill; Ian R. Hill; Yuri B. Ovchinnikov; Nicola Poli; Guglielmo M. Tino; Jürgen Stuhler; Wilhelm Kaenders; SOC2 team

doi:10.1016/j.crhy.2015.03.009

Development of a strontium optical lattice clock for the SOC mission on the ISS

Kai Bongs ¹; Yeshpal Singh ¹; Lyndsie Smith ¹; Wei He ¹; Ole Kock ¹; Dariusz Świerad ¹; Joshua Hughes ¹; Stephan Schiller ² ; Soroosh Alighanbari ²; Stefano Origlia ²; Stefan Vogt ³; Uwe Sterr ³; Christian Lisdat ³; Rodolphe Le Targat ⁴; Jérôme Lodewyck ⁴; David Holleville ⁴; Bertrand Venon ⁴; Sébastien Bize ⁴; Geoffrey P. Barwood ⁵; Patrick Gill ⁵; Ian R. Hill ⁵; Yuri B. Ovchinnikov ⁵; Nicola Poli ⁶; Guglielmo M. Tino ⁶; Jürgen Stuhler ⁷; Wilhelm Kaenders ⁷; SOC2 team

¹ University of Birmingham (UoB), Birmingham B15 2TT, UK
² Institut für Experimentalphysik, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), 40225 Düsseldorf, Germany
³ Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 38116 Braunschweig, Germany
⁴ SYRTE, Observatoire de Paris, 75014 Paris, France
⁵ National Physical Laboratory (NPL), Teddington, UK
⁶ Università di Firenze (UNIFI) and LENS, Firenze, Italy
⁷ TOPTICA Photonics AG, 82166 Gräfelfing, Germany

Comptes Rendus. Physique, The measurement of time / La mesure du temps, Volume 16 (2015) no. 5, pp. 553-564.

Abstract
Résumé

Ultra-precise optical clocks in space will allow new studies in fundamental physics and astronomy. Within an European Space Agency (ESA) program, the “Space Optical Clocks” (SOC) project aims to install and to operate an optical lattice clock on the International Space Station (ISS) towards the end of this decade. It would be a natural follow-on to the ACES mission, improving its performance by at least one order of magnitude. The payload is planned to include an optical lattice clock, as well as a frequency comb, a microwave link, and an optical link for comparisons of the ISS clock with ground clocks located in several countries and continents. Within the EU-FP7-SPACE-2010-1 project No. 263500, during the years 2011–2015 a compact, a modular and robust strontium lattice optical clock demonstrator has been developed. The goal performance is a fractional frequency instability below $1 \times 10^{- 15} τ^{- 1 / 2}$ and a fractional inaccuracy below $5 \times 10^{- 17}$ . Here we describe the current status of the apparatus' development, including the laser subsystems. The robust preparation of cold ⁸⁸Sr atoms in a second-stage magneto-optical trap (MOT) is achieved.

Des horloges optiques ultra-précises envoyées dans l'espace permettront de nouvelles avancées dans les domaines de la physique fondamentale et de l'astronomie. Le projet « Horloges optiques spatiales » (SOC pour Space Optical Clocks), qui fait partie d'un programme de l'Agence spatiale européenne (ESA), a pour but d'envoyer et de faire fonctionner une horloge à réseau optique à bord de la station spatiale internationale (ISS) vers la fin de la décennie. Cette mission serait un successeur de la mission ACES, avec une performance au moins dix fois meilleure. Il est prévu que la charge utile inclue une horloge à réseau optique ainsi qu'un peigne de fréquences, un lien micro-onde et un lien optique pour comparer cette horloge avec d'autres situées sur Terre, dans plusieurs pays et continents. Entre 2011 et 2015, un démonstrateur d'horloge à réseau optique utilisant des atomes de strontium, compact, modulaire et robuste a été développé dans le cadre du projet $n^{\circ}$ 263500 EU-FP7-SPACE-2010-1. La performance visée est une stabilité de fréquence fractionelle meilleure que $1 \times 10^{- 15} τ^{1 / 2}$ et un exactitude fractionelle meilleure que $5 \times 10^{- 17}$ . Dans cette article, nous décrivons l'état d'avancement du développement du dispositif, incluant les sous-systémes laser. La préparation d'atomes froids de ⁸⁸Sr dans un piége magnéto-optique sur raie étroite est démontrée.

Published online: 2015-04-15

DOI: 10.1016/j.crhy.2015.03.009

Keywords: Atomic clock, Frequency metrology, Cold atoms, Magneto-optical trap, Laser cooling, Optical lattice
Mots-clés : Horloge atomique, Métrologie temps–fréquence, Atomes froids, Piège magnéto-optique, Refroidissement des atomes par laser, Réseaux optiques

Author's affiliations:

Kai Bongs ¹; Yeshpal Singh ¹; Lyndsie Smith ¹; Wei He ¹; Ole Kock ¹; Dariusz Świerad ¹; Joshua Hughes ¹; Stephan Schiller ²; Soroosh Alighanbari ²; Stefano Origlia ²; Stefan Vogt ³; Uwe Sterr ³; Christian Lisdat ³; Rodolphe Le Targat ⁴; Jérôme Lodewyck ⁴; David Holleville ⁴; Bertrand Venon ⁴; Sébastien Bize ⁴; Geoffrey P. Barwood ⁵; Patrick Gill ⁵; Ian R. Hill ⁵; Yuri B. Ovchinnikov ⁵; Nicola Poli ⁶; Guglielmo M. Tino ⁶; Jürgen Stuhler ⁷; Wilhelm Kaenders ⁷; SOC2 team

¹ University of Birmingham (UoB), Birmingham B15 2TT, UK
² Institut für Experimentalphysik, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), 40225 Düsseldorf, Germany
³ Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 38116 Braunschweig, Germany
⁴ SYRTE, Observatoire de Paris, 75014 Paris, France
⁵ National Physical Laboratory (NPL), Teddington, UK
⁶ Università di Firenze (UNIFI) and LENS, Firenze, Italy
⁷ TOPTICA Photonics AG, 82166 Gräfelfing, Germany

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