Cs-Fountain 2

• Forschungsstelle: METAS
• Projektnummer: 119.03.FP.014
• Projekttitel Englisch: Cs-Fountain 2

Schlüsselwörter (Deutsch)

Primärfrequenznormal
Lasergekühlte Atome
Kontinuierlicher Atomstrahl

Schlüsselwörter (Englisch)

Primary frequency standard
Laser cooled atoms
Continuous atomic beam

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Entwicklung und Realisierung eines 2. primären Frequenznormals auf der Basis eines konti-nuierlichen Strahls lasergekühlter Cs-Atome in Zusammenarbeit mit dem Observatorium Neuen-burg wird vorgeschlagen.
Anfangs 2003 wird das am ON entwickelte Cs-Primärnormal am METAS in Betrieb genommen. Das neue Normal soll einen bedeutenden Beitrag zur Sekundendefinition und zur Realisierung der Weltzeitskala liefern. Dies ist nur möglich, wenn die systematischen Fehler des Normals genau analysiert und korrigiert werden können. Mit vernünftigen Aufwand ist eine solche Analyse nur zu bewerkstelligen, wenn ein zweites Normal mit vergleichbarer Stabilität zur Verfügung steht.
Die Technik des kontinuierlichen lasergekühlten Cs-Strahls, die unser Normal von allen übrigen bis anhin entwickelten Cs-Normalen unterscheidet, erlaubt bedeutende Verbesserungen des Atom-flusses durch eine Optimierung der transversalen Laserkühlung. Im 2. Normal sollen die Resultate der am ON laufenden Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet verwertet werden. Eine deutliche Verbesserung der Stabilität gegenüber dem ersten Normal wird dadurch möglich. Dass diese Technik in den gepulsten Cs-Springbrunnen, wie sie z.B. an der PTB, am NPL und NIST betrieben werden, nicht angewendet werden kann, macht sie für uns zusätzlich interessant. Weitere Verbes-serungen des Atomstrahls, z.B. durch die Erzeugung von komprimierten Atomzuständen, sind vor-stellbar und werden angestrebt.

Kurzbeschreibung (Englisch)

In this project, a collaboration with the Observatory of Neuchâtel (ON) is proposed in view of the development and realization of a 2nd primary frequency standard (PFS) based on a continuous beam of laser cooled cesium atoms.

The first PFS developed at the ON over the last years will be transfered to METAS and put into operation at the beginning of 2003. This new standard is meant to participate significantly in the realization of the definition of the second thereby increasing the Swiss contribution to the interna-tional timescale. However, to take full advantage of the standard, all systematic errors must be thoroughly analyzed and corresponding corrections have to be applied. The most appropriate tool for these studies is a second standard with similar characteristics.

The continuous beam of atoms distinguishes the ON-development from all other works in the same field. Based on research work currently under way in Neuchâtel, important improvements of the atomic flux can be expected from optimisation of the transverse cooling. In a second PFS such techniques shall be integrated, thus allowing lower instabilities than reachable with the first appa-ratus. It is worthwhile mentionning that these methods can not be applied with the same benefit in pulsed fountains as developed at PTB, NPL or NIST and offer therfore an additional potential to the continuous fountain technique. Still further increases of the atomic beam flux can be foreseen if methods such as e.g. squeezed atomic states are implemented. The possibilities in this field shall be considered for the development of the second PFS.

Projektziele (Deutsch)

Bis Ende 2006 ist ein 2. Cs-Primärnormal mit einer Stabilität von 5´10-14 t-1/2 realisiert und am METAS in Betrieb genommen.

Projektziele (Englisch)

A second primary frequency standard with a short term stability of 5´10-14 t-1/2 is realized and put into operation at METAS until the end 2006.

Abstract (Deutsch)

Die Konstruktion und der Aufbau von FOCS-2 sind innerhalb der Projektzeit vollständig abgeschlossen worden. Sämtliche Systeme sind betriebsbereit. Die gegenüber dem ersten Primärfrequenznormal FOCS-1 vorgesehenen Verbesserungen konnten erfolgreich in FOCS-2 eingesetzt werden.

Vorquelle: Die Stärke des kontinuierlichen Atomflusses ist eine wesentliche Grösse bei dieser Art von Primärfrequenznormalen, da sie die erreichbare Kurzzeitinstabilität des Gerätes festlegt. Für FOCS-2 wurde eine so genannte Vorquelle entwickelt, die es erlaubt, den Atomfluss um einen Faktor 20 zu verstärken. Mit Hilfe der Vorquelle werden die Atome vorgekühlt, damit sie in der eigentlichen Quelle des kontinuierlichen Atomstrahls effizienter eingefangen werden können. Die Vorquelle wurde erfolgreich auf einem experimentellen Aufbau getestet.

Transversale Kühlung: Um die Ausbeute der beobachtbaren Atome zu erhöhen, muss gegenüber FOCS-1 die Geschwindigkeitsverteilung der Atome senkrecht zu deren Abwurfrichtung verschmälert werden. In einem separaten experimentellen Aufbau konnte gezeigt werden, dass dies mit einem zwei dimensionalen optischen Gitter möglich ist. Das optische Gitter besteht aus zwei gegeneinander phasenstarren stehenden Wellen. Auch diese Technik wurde bei FOCS-2 angewandt.

Lichtfallenmotor: Das wohl grösste Problem von FOCS-1 und FOCS-2 ist der Lichtfallenmotor. Im Rahmen des Projektes FOCS-2 wurde nach einer Alternative zum bisher eingesetzten magnetischen Schrittmotor gesucht. In Zusammenarbeit mit der ETH Lausanne konnte ein elektrostatischer Motor entwickelt werden, der jetzt in beiden Fontänen eingesetzt werden kann. Leider sind noch keine Langzeit-Erfahrungen mit diesem Element verfügbar.

Noch abzuschliessen ist die vollständige Verifikation der Spezifikationen des Instrumentes.

Abstract (Englisch)

The design and the assembly of FOCS-2 were completed according to the planning before the end of 2006. All sub-systems are operational. With respect to FOCS-1, two major improvements were implemented on FOCS-2.

Pre-source: The achievable atomic flux is an important parameter of a frequency standard based on a continuous beam of cold atoms. Indeed, the ultimate short-term instability of such an instrument scales with the inverse of the square root of the flux. In FOCS-1, thermal atoms are used directly to feed the main cooling region. For FOCS-2, a pre-source has been developed which slows atoms before they undergo the main cooling mechanism. Using pre-slowed atoms allows to increase the efficiency of the main cooling, thereby leading to a stronger atomic flux. The pre-source has been successfully tested on a separate experiment and produced an atomic beam with a 20 fold increase with respect to the flux achieved in FOCS-1.

Transverse cooling: Without any further cooling mechanism the temperature of the launched atoms is too high to ensure that all atoms leaving the cold atoms source will also reach the detection zone. To increase the part of atoms which reach the detection zone, their velocity distribution perpendicular to their launching direction must be reduced after the main cooling stage. The approach chosen to reach this goal was a 2D-optical lattice. This lattice consists in 2 perpendicular standing waves that have a stable phase relation to each other. This technique has been tested on a separate experiment and is ready for implementation on FOCS-2.

Light-trap motor: The major problem of FOCS-1 and FOCS-2 is related to their continuous character of the atomic beam. Indeed, due to the continuous atomic beam these instruments need a light trap, which in the present approach is realized with a motor rotating under UHV-conditions. Up to now, the actuator of the light trap was a magnetic stepping motor. Unfortunately, these motors have not yield the expected results in terms of reliability. Together with the ETH Lausanne, an electrostatic motor (ESM) has been developed and is ready for use in FOCS-1 and FOCS-2. However, little is known on the long-term behaviour of the ESM.

The demonstration of the aimed specifications is not fully completed yet.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Nach der vollständigen Charakterisierung wird FOCS-2 als Primärfrequenznormal eingesetzt und soll zur Realisierung der Basiseinheit Sekunde im Internationalen Einheitensystem beitragen.

Umsetzung und Anwendungen (Englisch)

As soon as FOCS-2 is fully characterised, the instrument will serve as primary frequency standard and it will contribute to the realisation of the base unit second in the International System of Units.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

N. Castagna, J. Guéna, M.D. Plimmer, and P. Thomann
Low velocity, high flux, continuous source of cesium atoms
Proceeding of 20th EFTF, 27 to 30 March 2006, Braunschweig, Germany.

F. Füzesi, M. D. Plimmer, P.N. Castagna, G. Dudle, J. Guéna, P. Thomann
FOCS-2 Design of an improved continuous cesium atomic fountain clock
Poster presented at the 20th EFTF, 27 to 30 March 2006, Braunschweig, Germany.

G. Dudle
Einzigartige Primärfrequenznormale am METAS
Metinfo, 13(3), 9 – 13, 2006.

N. Castagna
An intense, highly collimated continuous cesium fountain
Doktorarbeit vorgelegt an der Universität Neuenburg, Juli 2006.

N. Castagna, J. Guéna, M. D. Plimmer, P. Thomann
A novel simplified two-dimensional magneto-optical trap as an intense source of slow cesium atoms
European Physics. J. Appl. Phys 34, 21 – 30 (2006).

P. Thomann, M. Plimmer, G. Di Domenico, N. Castagna, J. Guéna, G. Dudle, F. Füzesi
Continuous beams of cold atoms for space applications
Jour Appl. Phys. B 84, 659 – 662 (2006).

J. Guéna, N. Castagna, M. D. Plimmer, P. Thomann
Novel inexpensive two-dimensional magneto-optical trap (2D-MOT) for efficient loading of a moving cesium optical molasses
Poster presented at the SFP05, 29^th August to 2^nd September 2005, Lille, France.

N. Castagna, G. Di Domenico, G. Dudle, F. Füzesi, M.D. Plimmer, A.V. Taichenachev, P. Thomann and V.I. Yudin
Two-dimensional collimation of a continuous cesium fountain in a optical lattice
Proceedings of the 19^th EFTF, 21 to 24 March 2005, Besançon, France.

M. Plimmer, N. Castagna, G. Di Domenico, P. Thomann, A.V. Taichenachev, V.I. Yudin
2D laser collimation of a cold Cs beam induced by a transverse B-field
Pis’ma v ZhETF, vol. 82, iss. 1, pp. 18 – 22.

G. Di Domenico, N. Castagna, M. D. Plimmer, P. Thomann, A.V. Taichenachev, V.I. Yudin
On the Stability of Optical Lattices
Laser Physics, Vol. 15, N° 12, 2005, pp 1674 – 1679.

G. Di Domenico
Collimation d’un jet continu d’atomes de césium par refroidissement laser
Doktorarbeit vorgelegt an der Universität Neuenburg, Juni 2004.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

N. Castagna, J. Guéna, M.D. Plimmer, and P. Thomann
Low velocity, high flux, continuous source of cesium atoms
Proceeding of 20th EFTF, 27 to 30 March 2006, Braunschweig, Germany.

F. Füzesi, M. D. Plimmer, P.N. Castagna, G. Dudle, J. Guéna, P. Thomann
FOCS-2 Design of an improved continuous cesium atomic fountain clock
Poster presented at the 20th EFTF, 27 to 30 March 2006, Braunschweig, Germany.

G. Dudle
Einzigartige Primärfrequenznormale am METAS
Metinfo, 13(3), 9 – 13, 2006.

N. Castagna
An intense, highly collimated continuous cesium fountain
Doktorarbeit vorgelegt an der Universität Neuenburg, Juli 2006.

N. Castagna, J. Guéna, M. D. Plimmer, P. Thomann
A novel simplified two-dimensional magneto-optical trap as an intense source of slow cesium atoms
European Physics. J. Appl. Phys 34, 21 – 30 (2006).

P. Thomann, M. Plimmer, G. Di Domenico, N. Castagna, J. Guéna, G. Dudle, F. Füzesi
Continuous beams of cold atoms for space applications
Jour Appl. Phys. B 84, 659 – 662 (2006).

J. Guéna, N. Castagna, M. D. Plimmer, P. Thomann
Novel inexpensive two-dimensional magneto-optical trap (2D-MOT) for efficient loading of a moving cesium optical molasses
Poster presented at the SFP05, 29^th August to 2^nd September 2005, Lille, France.

N. Castagna, G. Di Domenico, G. Dudle, F. Füzesi, M.D. Plimmer, A.V. Taichenachev, P. Thomann and V.I. Yudin
Two-dimensional collimation of a continuous cesium fountain in a optical lattice
Proceedings of the 19^th EFTF, 21 to 24 March 2005, Besançon, France.

M. Plimmer, N. Castagna, G. Di Domenico, P. Thomann, A.V. Taichenachev, V.I. Yudin
2D laser collimation of a cold Cs beam induced by a transverse B-field
Pis’ma v ZhETF, vol. 82, iss. 1, pp. 18 – 22.

G. Di Domenico, N. Castagna, M. D. Plimmer, P. Thomann, A.V. Taichenachev, V.I. Yudin
On the Stability of Optical Lattices
Laser Physics, Vol. 15, N° 12, 2005, pp 1674 – 1679.

G. Di Domenico
Collimation d’un jet continu d’atomes de césium par refroidissement laser
Doktorarbeit vorgelegt an der Universität Neuenburg, Juni 2004.