Laser-cooled <sup>171</sup>Yb<sup>+</sup> microwave frequency standard with a short-term frequency instability of 8.5 × 10<sup>−13</sup>/√τ
N. C. Xin, H. R. Qin, S. N. Miao, Y. T. Chen, Yajing Zheng, J. Z. Han, Jianwei Zhang, L. J. Wang
Abstract
We report on the development of a microwave frequency standard based on a laser-cooled <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"/> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>171</mml:mn> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">Y</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mtext> </mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> ion trap system. The electronics , lasers, and magnetic shields are integrated into a single physical package. With over 10 5 ions are stably trapped, the system offers a high signal-to-noise ratio Ramsey line-shape. In comparison with previous work, the frequency instability of a <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:msup> <mml:mi/> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mn>171</mml:mn> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">Y</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mtext> </mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> microwave clock was further improved to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mml:mn>8.5</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>13</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mml:mo>/</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msqrt> <mml:mi>τ</mml:mi> </mml:msqrt> </mml:math> for averaging times between 10 and 1000 s. Essential systematic shifts and uncertainties are also estimated.