Magnetic field analysis and active compensation system for strontium optical lattice clock in space

Jie REN; Wei TAN; Feng GUO; Hui LIU; Hong CHANG

doi:10.37188/OPE.20223011.1337

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Magnetic field analysis and active compensation system for strontium optical lattice clock in space

Micro/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2022-06-21

- Magnetic field analysis and active compensation system for strontium optical lattice clock in space
- Optics and Precision Engineering Vol. 30, Issue 11, Pages: 1337-1343(2022)
- 作者机构：
  
  1.中国科学院国家授时中心时间频率基准重点实验室，陕西西安 710600
  2.中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049
  3.西北大学光子学与光子技术研究所，陕西西安710069
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20223011.1337
  CLC： 0433.1;TP399
- Received：22 December 2021，
  
  Revised：14 January 2022，
  
  Published：10 June 2022
- 稿件说明：
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任洁,谭巍,郭峰等.空间锶原子光钟磁场分析及主动补偿系统[J].光学精密工程,2022,30(11):1337-1343.

REN Jie,TAN Wei,GUO Feng,et al.Magnetic field analysis and active compensation system for strontium optical lattice clock in space[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(11):1337-1343.
任洁,谭巍,郭峰等.空间锶原子光钟磁场分析及主动补偿系统[J].光学精密工程,2022,30(11):1337-1343. DOI： 10.37188/OPE.20223011.1337.

REN Jie,TAN Wei,GUO Feng,et al.Magnetic field analysis and active compensation system for strontium optical lattice clock in space[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(11):1337-1343. DOI： 10.37188/OPE.20223011.1337.

摘要

空间锶原子光钟在轨运行过程中会感受到幅度约为80 μT的地磁场变化，通过引入同等大小的外磁场变化，实验观测了变化地磁场对空间光钟冷原子由磁光阱装载到光晶格的影响。理论分析了地磁场变化对钟跃迁探测的影响，并对磁场稳定性需求进行了分析。通过电动旋转台和永磁体模拟空间环境变化的磁场，利用三维磁通门进行实时探测，设计了主动补偿系统并对外界磁场进行实时补偿，使空间光钟磁光阱中心区域磁场波动在亚μT量级，满足了空间光钟对磁场的补偿与控制需求。

Abstract

The strontium atomic optical clock in space experiences changes in the geomagnetic field during its orbit of amplitudes of approximately 80 μT. By introducing changes in the external magnetic field of the same magnitude， the influence of the changing magnetic field on the loading of cold atoms from the magneto-optical trap to the optical lattice of the space optical clock is observed. The influence of the changing geomagnetic field on the detection of clock transitions is theoretically analyzed， and the need for magnetic field stability is investigated. The magnetic field of the space environment is simulated by rotating a permanent magnet. Furthermore， a three-dimensional fluxgate probe is used for real-time detection， and an active compensation system is designed to compensate the external magnetic field synchronously. Because the magnetic field in the central area of the magnetic optical trap of the space optical clock fluctuates by a sub-μT magnitude， it can meet the compensation and control requirements of the space optical clock with respect to the magnetic field.

关键词

Keywords

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GREBING C ， AL-MASOUDI A ， DÖRSCHER S ， et al . Realization of a timescale with an accurate optical lattice clock ［J］. Optica ， 2016 ， 3 （ 6 ）： 563 - 569 . doi: 10.1364/optica.3.000563 http://dx.doi.org/10.1364/optica.3.000563

LE TARGAT R ， LORINI L ， LE COQ Y ， et al . Experimental realization of an optical second with strontium lattice clocks ［J］. Nature Communications ， 2013 ， 4 ： 2109 . doi: 10.1038/ncomms3109 http://dx.doi.org/10.1038/ncomms3109

OELKER E ， HUTSON R B ， KENNEDY C J ， et al . Demonstration of 4.8×10 -17 stability at 1 s for two independent optical clocks ［J］. Nature Photonics ， 2019 ， 13 （ 10 ）： 714 - 719 . doi: 10.1038/s41566-019-0493-4 http://dx.doi.org/10.1038/s41566-019-0493-4

BOTHWELL T ， KEDAR D ， OELKER E ， et al . JILA SrI optical lattice clock with uncertainty of 2.0×10 -18 ［J］. Metrologia ， 2019 ， 56 （ 6 ）： 065004 . doi: 10.1088/1681-7575/ab4089 http://dx.doi.org/10.1088/1681-7575/ab4089

BLATT S ， LUDLOW A D ， CAMPBELL G K ， et al . Optical lattice clocks ［J］. Physical Review Letters ， 2008 ， 100 （ 14 ）： 140801 . doi: 10.1103/physrevlett.100.140801 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.100.140801

GODUN R M ， NISBET-JONES P B R ， JONES J M ， et al . Frequency ratio of two optical clock transitions in 171Yb + and constraints on the time variation of fundamental constants ［J］. Physical Review Letters ， 2014 ， 113 （ 21 ）： 210801 . doi: 10.1103/physrevlett.113.210801 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.113.210801

HUNTEMANN N ， LIPPHARDT B ， TAMM C ， et al . Improved limit on a temporal variation of mp/me from comparisons of Yb + and Cs atomic clocks ［J］. Physical Review Letters ， 2014 ， 113 （ 21 ）： 210802 . doi: 10.1103/physrevlett.113.210802 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.113.210802

KOLKOWITZ S ， PIKOVSKI I ， LANGELLIER N ， et al . Gravitational wave detection with optical lattice atomic clocks ［J］. Physical Review D ， 2016 ， 94 （ 12 ）： 124043 . doi: 10.1103/physrevd.94.124043 http://dx.doi.org/10.1103/physrevd.94.124043

DEREVIANKO A ， POSPELOV M . Hunting for topological dark matter with atomic clocks ［J］. Nature Physics ， 2014 ， 10 （ 12 ）： 933 - 936 . doi: 10.1038/nphys3137 http://dx.doi.org/10.1038/nphys3137

RIEHLE F . Frequency Standards ： Basics and Applications ［M］. Germany ： WILEY-VCH ， 2004 ： 387 - 415 .

GUO F ， TAN W ， ZHOU C H ， et al . A proof-of-concept model of compact and high-performance 87Sr optical lattice clock for space ［J］. AIP Advances ， 2021 ， 11 （ 12 ）： 125116 . doi: 10.1063/5.0064087 http://dx.doi.org/10.1063/5.0064087

LI L ， JI J W ， REN W ， et al . Automatic compensation of magnetic field for a rubidium space cold atom clock ［J］. Chinese Physics B ， 2016 ， 25 （ 7 ）： 073201 . doi: 10.1088/1674-1056/25/7/073201 http://dx.doi.org/10.1088/1674-1056/25/7/073201

孔德欢 . 可搬运锶光钟性能评估及空间站锶光钟预研究［D］. 西安：中国科学院大学（中国科学院国家授时中心）， 2021 . doi: 10.7498/aps.70.20201204 http://dx.doi.org/10.7498/aps.70.20201204

KONG D H . Evaluation of the Transportable Strontium Optical Clock and Pre-research of the Optical Clock for Space Station ［D］. Xi'an ： National Time Service Center， Chinese Academy of Sciences ， 2021 . （in Chinese） . doi: 10.7498/aps.70.20201204 http://dx.doi.org/10.7498/aps.70.20201204

任洁，卢晓同，王叶兵，等 . 锶原子光钟闭环控制系统的设计与实现［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 10 ）： 2546 - 2554 . doi: 10.3788/OPE.20182610.2546 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20182610.2546

REN J ， LU X T ， WANG Y B ， et al . Design and realization of an auto-control system for the closed-loop operation of a strontium atomic clock ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 10 ）： 2546 - 2554 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20182610.2546 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20182610.2546

BOYD M . M . High Precision Spectroscopy of Strontium in an Optical Lattice： Towards a New Standard for Frequency and Time［D］. B.S. ： University of Washington ， 2002 .

LIU L ， LÜ D S ， CHEN W B ， et al . In-orbit operation of an atomic clock based on laser-cooled 87Rb atoms ［J］. Nature Communications ， 2018 ， 9 ： 2760 . doi: 10.1038/s41467-018-05219-z http://dx.doi.org/10.1038/s41467-018-05219-z

LIANG Z X ， ZHANG Z D ， LIU W M . Dynamics of a bright soliton in Bose-Einstein condensates with time-dependent atomic scattering length in an expulsive parabolic potential ［J］. Physical Review Letters ， 2005 ， 94 （ 5 ）： 050402 . doi: 10.1103/physrevlett.94.050402 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.94.050402

CHIN C ， GRIMM R ， JULIENNE P ， et al . Feshbach resonances in ultracold gases ［J］. Reviews of Modern Physics ， 2010 ， 82 （ 2 ）： 1225 - 1286 . doi: 10.1103/revmodphys.82.1225 http://dx.doi.org/10.1103/revmodphys.82.1225

JI A C ， LIU W M ， SONG J L ， et al . Dynamical creation of fractionalized vortices and vortex lattices ［J］. Physical Review Letters ， 2008 ， 101 ： 010402 . doi: 10.1103/physrevlett.101.010402 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.101.010402

JI A C ， SUN Q ， XIE X C ， et al . Josephson effect for photons in two weakly linked microcavities ［J］. Physical Review Letters ， 2009 ， 102 （ 2 ）： 023602 . doi: 10.1103/physrevlett.102.023602 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.102.023602

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