A revised uncertainty budget for measuring the Boltzmann constant using the Doppler Broadening Technique on ammonia

We report on our on-going effort to measure the Boltzmann constant, kB, using the Doppler Broadening Technique. The main systematic effects affecting the measurement are discussed. A revised error budget is presented in which the global uncertainty on systematic effects is reduced to 2.3 ppm. This corresponds to a reduction of more than one order of magnitude compared to our previous Boltzmann constant measurement. Means to reach a determination of kB at the part per million accuracy level are outlined

A widely tunable 10-μ\mum quantum cascade laser phase-locked to a state-of-the-art mid-infrared reference for precision molecular spectroscopy

We report the coherent phase-locking of a quantum cascade laser (QCL) at 10-$\mu$m to the secondary frequency standard of this spectral region, a CO2 laser stabilized on a saturated absorption line of OsO4. The stability and accuracy of the standard are transferred to the QCL resulting in a line width of the order of 10 Hz, and leading to our knowledge to the narrowest QCL to date. The locked QCL is then used to perform absorption spectroscopy spanning 6 GHz of NH3 and methyltrioxorhenium, two species of interest for applications in precision measurements.Comment: 5 pages, 4 figure

Accurate determination of the Boltzmann constant by Doppler spectroscopy: Towards a new definition of the kelvin

proceedings of the ICAP 2012 conference (23rd International Conference on Atomic Physics)International audienceAccurate molecular spectroscopy in the mid-infrared region allows precision measurements of fundamental constants. For instance, measuring the linewidth of an isolated Doppler-broadened absorption line of ammonia around 10 µm enables a determination of the Boltzmann constant k B. We report on our latest measurements. By fitting this lineshape to several models which include Dicke narrowing or speed-dependent collisional effects, we find that a determination of k B with an uncertainty of a few ppm is reachable. This is comparable to the best current uncertainty obtained using acoustic methods and would make a significant contribution to any new value of k B determined by the CODATA. Furthermore, having multiple independent measurements at these accuracies opens the possibility of defining the kelvin by fixing k B , an exciting prospect considering the upcoming redefinition of the International System of Units

Absorption line shape recovery beyond the detection bandwidth limit: application to the precision spectroscopic measurement of the Boltzmann constant

22 pagesInternational audienceA theoretical model of the influence of detection bandwidth properties on observed line shapes in laser absorption spectroscopy is described. The model predicts artificial frequency shifts, extra broadenings and line asymmetries which must be taken into account in order to obtain accurate central frequencies and other spectroscopic parameters. This reveals sources of systematic effects most probably underestimated so far potentially affecting spectroscopic measurements. This may impact many fields of research, from atmospheric and interstellar physics to precision spectroscopic measurements devoted to metrological applications, tests of quantum electrodynamics or other fundamental laws of nature. Our theoretical model is validated by linear absorption experiments performed on H2O and NH3 molecular lines recorded by precision laser spectroscopy in two distinct spectral regions, near- and mid-infrared. Possible means of recovering original line shape parameters or experimental conditions under which the detection bandwidth has a negligible impact, given a targeted accuracy, are proposed. Particular emphasis is put on the detection bandwidth adjustments required to use such high-quality molecular spectra for a spectroscopic determination of the Boltzmann constant at the 1 ppm level of accuracy

Horloge à réseau optique de mercure neutre : Détermination de la longueur d'onde magique.

A lattice clock combines the advantages of ion and neutral atom based clocks, namely the recoil and first order Doppler free spectroscopy allowed by the Lamb-Dicke regime. This lattice light field shifts the energy levels of the clock transition. However a wavelength can be found where the light-shift of the clock states cancelled to first order. In this thesis, we present the latest advances in optical lattice clock with mercury atoms developed at LNE-SYRTE. After a review of the current performances of different optical clock are currently under development, we focus on the concept of optical lattice clock and the features of the mercury that make him an excellent candidate for the realization of an optical lattice clock achievement the uncertainty of the level of 10−17. The second part is devoted to the characterization of the mercury MOT, using a sensitive detection system, which allowed us to evaluate the temperature of different isotopes present in the MOT and have a good evidence of sub-Doppler cooling for the fermonic isotopes. The third part of this these, present the experimental aspects of the implementation and the development of the laser source required for trapping mercury atoms operating near the predicted magic wavelength. Finally, we report on the Lamb-Dicke spectroscopy of the 1S0 →3 P0 clock transition in the 199Hg atoms confined in lattice trap. With use of the ultra-stable laser system, linked to LNE-SYRTE primary frequency reference, we have determined the center frequency of the transition for a range of lattice wavelengths and different lattice depths. 125Analyzing these measurement, we have carried out the first experimental determination of the magic wavelength, which is the crucial step towards achieving a highly accurate frequency standard using mercury.Une horloge à réseau optique combine les avantages de piégeage des horloges à ions et les horloges à atomes neutres. En effet cette configuration idéale permet de réaliser un régime de confinement fort comme le régime Lamb-Dicke tout en travaillant avec un grand nombre d'atomes. Contrairement aux horloges à ions une horloge à réseau optique nécessite des puissances de lasers importantes pour placer les atomes dans le régime Lamb-Dicke, ce qui induit généralement un décalage différentiel des niveaux d'horloge. Cependant le concept de la longueur d'onde magique a permis de supprimer, à premier ordre, les perturbations induites par le piège. Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de mercure du LNE-SYRTE. dans ce mémoire on passe en revue les performances actuelles des différentes horloges optiques actuellement développées, l'accent est mis sur le concept d'horloge à réseau optique et sur les particularités de l'atome de mercure qui rendent de lui un excellent candidats pour la réalisation d'une horloge à réseau optique. La deuxième partie est consacrée à la caractérisation du piège magnéto-optique via un système de détection assez sensible, ce qui nous a permis d'évaluer la température des différents isotopes présents dans PMO ainsi que la mise en évidence d'un refroidissement sub-Doppler des isotopes fermioniques. Suit la réalisation du piégeage des atomes de mercure est une tache redoutable vu la gamme de longueurs d'ondes magiques prédites par la théorie (362±5 nm). La troisième partie présente les aspects expérimentaux de la réalisation et la mise en place de la source laser nécessaire au piégeage des atomes de mercure fonctionnant à la longueur d'onde magique prédite par la théorie. Suit d'une description de la cavité de surtension mise en place pour la réalisation du réseau optique. Tout ce travail a permis de réaliser la première spectroscopie de la transition 1S0 →3 P0 dans le régime Lamb-Dicke pour l'isotope 199Hg. Avec l'utilisation du système laser ultra-stable lié à la référence primaire du LNE-SYRTE, nous avons déterminé la fréquence centrale de la transition pour une large gamme de longueur d'onde et profondeurs du piège et l'analyse de ces mesures nous a permis de réaliser la première détermination expérimentale de la longueur d'onde magique, démontrons ainsi la faisabilité d'une horloge optique à atomes de mercure de haute exactitude

Horloge à réseau optique de mercure neutre : Détermination de la longueur d'onde magique.

A lattice clock combines the advantages of ion and neutral atom based clocks, namely the recoil and first order Doppler free spectroscopy allowed by the Lamb-Dicke regime. This lattice light field shifts the energy levels of the clock transition. However a wavelength can be found where the light-shift of the clock states cancelled to first order. In this thesis, we present the latest advances in optical lattice clock with mercury atoms developed at LNE-SYRTE. After a review of the current performances of different optical clock are currently under development, we focus on the concept of optical lattice clock and the features of the mercury that make him an excellent candidate for the realization of an optical lattice clock achievement the uncertainty of the level of 10−17. The second part is devoted to the characterization of the mercury MOT, using a sensitive detection system, which allowed us to evaluate the temperature of different isotopes present in the MOT and have a good evidence of sub-Doppler cooling for the fermonic isotopes. The third part of this these, present the experimental aspects of the implementation and the development of the laser source required for trapping mercury atoms operating near the predicted magic wavelength. Finally, we report on the Lamb-Dicke spectroscopy of the 1S0 →3 P0 clock transition in the 199Hg atoms confined in lattice trap. With use of the ultra-stable laser system, linked to LNE-SYRTE primary frequency reference, we have determined the center frequency of the transition for a range of lattice wavelengths and different lattice depths. 125Analyzing these measurement, we have carried out the first experimental determination of the magic wavelength, which is the crucial step towards achieving a highly accurate frequency standard using mercury.Une horloge à réseau optique combine les avantages de piégeage des horloges à ions et les horloges à atomes neutres. En effet cette configuration idéale permet de réaliser un régime de confinement fort comme le régime Lamb-Dicke tout en travaillant avec un grand nombre d'atomes. Contrairement aux horloges à ions une horloge à réseau optique nécessite des puissances de lasers importantes pour placer les atomes dans le régime Lamb-Dicke, ce qui induit généralement un décalage différentiel des niveaux d'horloge. Cependant le concept de la longueur d'onde magique a permis de supprimer, à premier ordre, les perturbations induites par le piège. Ce mémoire présente les dernières avancées de l'horloge à réseau optique à atomes de mercure du LNE-SYRTE. dans ce mémoire on passe en revue les performances actuelles des différentes horloges optiques actuellement développées, l'accent est mis sur le concept d'horloge à réseau optique et sur les particularités de l'atome de mercure qui rendent de lui un excellent candidats pour la réalisation d'une horloge à réseau optique. La deuxième partie est consacrée à la caractérisation du piège magnéto-optique via un système de détection assez sensible, ce qui nous a permis d'évaluer la température des différents isotopes présents dans PMO ainsi que la mise en évidence d'un refroidissement sub-Doppler des isotopes fermioniques. Suit la réalisation du piégeage des atomes de mercure est une tache redoutable vu la gamme de longueurs d'ondes magiques prédites par la théorie (362±5 nm). La troisième partie présente les aspects expérimentaux de la réalisation et la mise en place de la source laser nécessaire au piégeage des atomes de mercure fonctionnant à la longueur d'onde magique prédite par la théorie. Suit d'une description de la cavité de surtension mise en place pour la réalisation du réseau optique. Tout ce travail a permis de réaliser la première spectroscopie de la transition 1S0 →3 P0 dans le régime Lamb-Dicke pour l'isotope 199Hg. Avec l'utilisation du système laser ultra-stable lié à la référence primaire du LNE-SYRTE, nous avons déterminé la fréquence centrale de la transition pour une large gamme de longueur d'onde et profondeurs du piège et l'analyse de ces mesures nous a permis de réaliser la première détermination expérimentale de la longueur d'onde magique, démontrons ainsi la faisabilité d'une horloge optique à atomes de mercure de haute exactitude

High stability double-modulation CPT Cs compact clock

International audienc

High stability double-modulation CPT Cs compact clock

International audienc

Optical Lattice Trapping of Hg199 and Determination of the Magic Wavelength for the Ultraviolet S01<-->P03 Clock Transition

International audienceWe report on the Lamb-Dicke spectroscopy of the doubly forbidden (6s&lt;SUP&gt;2&lt;/SUP&gt;)S01&lt;--&gt;(6s6p)P03 transition in Hg199 atoms confined to a vertical 1D optical lattice. With lattice trapping of &amp;#8818;10&lt;SUP&gt;3&lt;/SUP&gt; atoms and a 265.6 nm probe laser linked to the LNE-SYRTE primary frequency reference we have determined the center frequency of the transition for a range of lattice wavelengths and at two lattice trap depths. We find the Stark-free (magic) wavelength to be 362.53(0.21) nm---essential knowledge for future use of this line in a clock with anticipated 10&lt;SUP&gt;-18&lt;/SUP&gt; range accuracy. We also present evidence of the laser excitation of a Wannier-Stark ladder of states in a lattice of well depth 10E&lt;SUB&gt;R&lt;/SUB&gt;