Quick Search: Journal  Author  Title/Abstract  Vol./Year 

Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010) 080001 (12 pages)  |Next Article|  |Table of Contents|
|Full Text PDF: FREE (838K)|

Invited Review Paper

Frequency Metrology with Optical Lattice Clocks

Feng-Lei Hong1,3 and Hidetoshi Katori2,3

1National Metrology Institute of Japan (NMIJ), National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, Ibaraki 305-8563, Japan
2Department of Applied Physics, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo, Bunkyo, Tokyo 113-8656, Japan
3CREST, Japan Science and Technology Agency, Kawaguchi, Saitama 332-0012, Japan

(Received March 10, 2010; accepted April 13, 2010; published online August 20, 2010)

The precision measurement of time and frequency is of great interest for a wide range of applications, including fundamental science and technologies that support broadband communication networks and the navigation with global positioning systems (GPSs). The development of optical frequency measurement based on frequency combs has revolutionized the field of frequency metrology, especially research on optical frequency standards. The proposal and realization of the optical lattice clock have further stimulated studies in the field of optical frequency metrology. Optical carrier transfer using optical fibers has been used to disseminate optical frequencies or compare two optical clocks without degrading their stability and accuracy. In this paper, we review the state-of-the-art development of optical frequency combs, standards, and transfer techniques with emphasis on optical lattice clocks. We address recent results achieved at the University of Tokyo and the National Metrology Institute of Japan in respect of frequency metrology with Sr and Yb optical lattice clocks.

URL: http://jjap.jsap.jp/link?JJAP/49/080001/
DOI: 10.1143/JJAP.49.080001


|Full Text PDF: FREE (838K)|  Citation:

References | Citing Article (1)

  1. L. Essen and J. V. L. Parry: Philos. Trans. R. Soc., Ser. A 250 (1957) 45.
  2. T. P. Heavner, S. R. Jefferts, E. A. Donley, J. H. Shirley, and T. E. Parker: Metrologia 42 (2005) 411.
  3. Th. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch: Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 3568[APS].
  4. S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch: Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 5102[APS].
  5. D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff: Science 288 (2000) 635[Science].
  6. H. G. Dehmelt: IEEE Trans. Instrum. Meas. 31 (1982) 83.
  7. T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist: Science 319 (2008) 1808.
  8. H. Katori: in Proc. 6th Symp. Frequency Standards and Metrology, ed. P. Gill (World Scientific, Singapore, 2002) p. 323.
  9. M. Takamoto and H. Katori: Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 223001[APS].
  10. M. Takamoto, F.-L. Hong, R. Higashi, and H. Katori: Nature 435 (2005) 321[CrossRef].
  11. R. Le Targat, X. Baillard, M. Fouche, A. Brusch, O. Tcherbakoff, G. D. Rovera, and P. Lemonde: Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 130801[APS].
  12. A. D. Ludlow, M. M. Boyd, T. Zelevinsky, S. M. Foreman, S. Blatt, M. Notcutt, T. Ido, and J. Ye: Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 033003[APS].
  13. T. Kohno, M. Yasuda, K. Hosaka, H. Inaba, Y. Nakajima, and F.-L. Hong: Appl. Phys. Express 2 (2009) 072501[JSAP].
  14. N. D. Lemke, A. D. Ludlow, Z. W. Barber, T. M. Fortier, S. A. Diddams, Y. Jiang, S. R. Jefferts, T. P. Heavner, T. E. Parker, and C. W. Oates: Phys. Rev. Lett. 103 (2009) 063001[APS].
  15. M. Petersen, R. Chicireanu, S. T. Dawkins, D. V. Magalhães, C. Mandache, Y. Le Coq, A. Clairon, and S. Bize: Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 183004[APS].
  16. H. Hachisu, K. Miyagishi, S. G. Porsev, A. Derevianko, V. D. Ovsiannikov, V. G. Pal'chikov, M. Takamoto, and H. Katori: Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 053001[APS].
  17. G. K. Campbell, A. D. Ludlow, S. Blatt, J. W. Thomsen, M. J. Martin, M. H. G. de Miranda, T. Zelevinsky, M. M. Boyd, J. Ye, S. A. Diddams, T. P. Heavner, T. E. Parker, and S. R. Jefferts: Metrologia 45 (2008) 539.
  18. H. Katori, M. Takamoto, V. G. Pal'chikov, and V. D. Ovsiannikov: Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 173005[APS].
  19. A. Bartels, S. A. Diddams, C. W. Oates, G. Wilpers, J. C. Bergquist, W. H. Oskay, and L. Hollberg: Opt. Lett. 30 (2005) 667.
  20. J. Millo, R. Boudot, M. Lours, P. Y. Bourgeois, A. N. Luiten, Y. Le Coq, Y. Kersale, and G. Santarelli: Opt. Lett. 34 (2009) 3707.
  21. L.-S. Ma, Z. Bi, A. Bartels, L. Robertosson, M. Zucco, R. Windeler, G. Wilpers, C. Oates, L. Hollberg, and S. A. Diddams: Science 303 (2004) 1843[Science].
  22. K. M. Larson and J. Levine: IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 46 (1999) 1001.
  23. M. Takamoto, F.-L. Hong, R. Higashi, Y. Fujii, M. Imae, and H. Katori: J. Phys. Soc. Jpn. 75 (2006) 104302.
  24. S. M. Foreman, A. D. Ludlow, M. H. G. de Miranda, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, and J. Ye: Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 153601[APS].
  25. N. R. Newbury, P. A. Williams, and W. C. Swann: Opt. Lett. 32 (2007) 3056.
  26. J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, and D. M. Atkin: Opt. Lett. 21 (1996) 1547.
  27. J. K. Ranka, R. S. Windeler, and A. J. Stentz: Opt. Lett. 25 (2000) 796.
  28. F.-L. Hong, K. Minoshima, A. Onae, H. Inaba, H. Takada, A. Hirai, H. Matsumoto, T. Sugiura, and M. Yoshida: Opt. Lett. 28 (2003) 1516.
  29. B. R. Washburn, S. A. Diddams, N. R. Newbury, J. W. Nicholson, M. F. Yan, and C. G. Jorgensen: Opt. Lett. 29 (2004) 250.
  30. T. R. Schibli, K. Minoshima, F.-L. Hong, H. Inaba, A. Onae, H. Matsumoto, I. Hartl, and M. E. Fermann: Opt. Lett. 29 (2004) 2467.
  31. H. Inaba, Y. Daimon, F.-L. Hong, A. Onae, K. Minoshima, T. R. Schibli, H. Matsumoto, M. Hirano, T. Okuno, M. Onishi, and M. Nakazawa: Opt. Express 14 (2006) 5223.
  32. W. C. Swann, J. J. McFerran, I. Coddington, N. R. Newbury, I. Hartl, M. E. Fermann, P. S. Westbrook, J. W. Nicholson, K. S. Feder, C. Langrock, and M. M. Fejer: Opt. Lett. 31 (2006) 3046.
  33. N. R. Newbury and W. C. Swann: J. Opt. Soc. Am. B 24 (2007) 1756.
  34. Y. Nakajima, H. Inaba, K. Hosaka, K. Minoshima, A. Onae, M. Yasuda, T. Kohno, S. Kawato, T. Kobayashi, T. Katsuyama, and F.-L. Hong: Opt. Express 18 (2010) 1667.
  35. A. Winter, F. Ö. Ildayc, O. D. Mücke, R. Ell, H. Schlarb, P. Schmüser, and F. X. Kärtner: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 557 (2006) 299.
  36. C. Gohle, Th. Udem, M. Herrmann, J. Rauschenberger, R. Holzwarth, H. A. Schuessler, F. Krausz, and T. W. Hänsch: Nature 436 (2005) 234[CrossRef].
  37. R. J. Jones, K. D. Moll, M. J. Thorpe, and J. Ye: Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 193201[APS].
  38. M. Zimmermann, Ch. Gohle, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch: Opt. Lett. 29 (2004) 310.
  39. O. D. Mucke, O. Kuzucu, F. N. C. Wong, E. P. Ippen, F. X. Kaertner, S. M. Foreman, D. J. Jones, L.-S. Ma, J. L. Hall, and J. Ye: Opt. Lett. 29 (2004) 2806.
  40. J. Jiang, A. Onae, H. Matsumoto, and F.-L. Hong: Opt. Express 13 (2005) 1958.
  41. P. Malara, P. Maddaloni, G. Gagliardi, and P. De Natale: Opt. Express 16 (2008) 8242.
  42. K. Takahata, T. Kobayashi, H. Sasada, Y. Nakajima, H. Inaba, and F.-L. Hong: Phys. Rev. A 80 (2009) 032518[APS].
  43. M. J. Thorpe, D. Balslev-Clausen, M. S. Kirchner, and J. Ye: Opt. Express 16 (2008) 2387.
  44. T. Steinmetz, T. Wilken, C. Araujo-Hauck, R. Holzwarth, T. W. Hänsch, L. Pasquini, A. Manescau, S. D'Odorico, M. T. Murphy, T. Kentischer, W. Schmidt, and Th. Udem: Science 321 (2008) 1335.
  45. T. J. Quinn: Metrologia 40 (2003) 103.
  46. R. Felder: Metrologia 42 (2005) 323.
  47. C. W. Oates, E. A. Curtis, and L. Hollberg: Opt. Lett. 25 (2000) 1603.
  48. G. Wilpers, T. Binnewies, C. Degenhardt, U. Sterr, J. Helmcke, and F. Riehle: Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 230801[APS].
  49. R. H. Dicke: Phys. Rev. 89 (1953) 472[APS].
  50. C. Degenhardt, H. Stoehr, C. Lisdat, G. Wilpers, H. Schnatz, B. Lipphardt, T. Nazarova, P. Pottie, U. Sterr, and J. Helmcke: Phys. Rev. A 72 (2005) 62111[APS].
  51. J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, T. M. Fortier, K. Kim, L. Hollberg, J. C. Bergquist, W. M. Itano, M. J. Delany, L. Lorini, W. H. Oskay, T. P. Heavner, S. R. Jefferts, F. Levi, T. E. Parker, and J. Shirley: Appl. Phys. B 89 (2007) 167[CrossRef].
  52. H. S. Margolis, G. P. Barwood, G. Huang, H. A. Klein, S. N. Lea, K. Szymaniec, and P. Gill: Science 306 (2004) 1355[Science].
  53. Chr. Tamm, S. Weyers, B. Lipphardt, and E. Peik: Phys. Rev. A 80 (2009) 043403[APS].
  54. C.-W. Chou, D. B. Hume, J. C. J. Koelemeij, D. J. Wineland, and T. Rosenband: Phys. Rev. Lett. 104 (2010) 070802[APS].
  55. L.-S. Ma, P. Jungner, J. Ye, and J. L. Hall: Opt. Lett. 19 (1994) 1777.
  56. J. Ye, J. L. Peng, R. J. Jones, K. W. Holman, J. L. Hall, D. J. Jones, S. A. Diddams, J. Kitching, S. Bize, J. C. Bergquist, L. W. Hollberg, L. Robertsson, and L. S. Ma: J. Opt. Soc. Am. B 20 (2003) 1459.
  57. O. Lopez, A. Amy-Klein, C. Daussy, C. Chardonnet, F. Narbonneau, M. Lours, and G. Santarelli: Eur. Phys. J. D 48 (2008) 35[CrossRef].
  58. A. D. Ludlow, T. Zelevinsky, G. K. Campbell, S. Blatt, M. M. Boyd, M. H. G. de Miranda, M. J. Martin, J. W. Thomsen, S. M. Foreman, J. Ye, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, Y. Le Coq, Z. W. Barber, N. Poli, N. D. Lemke, K. M. Beck, and C. W. Oates: Science 319 (2008) 1805.
  59. M. Musha, F.-L. Hong, K. Nakagawa, and K. Ueda: Opt. Express 16 (2008) 16459.
  60. F.-L. Hong, M. Musha, M. Takamoto, H. Inaba, S. Yanagimachi, A. Takamizawa, K. Watabe, T. Ikegami, M. Imae, Y. Fujii, M. Amemiya, K. Nakagawa, K. Ueda, and H. Katori: Opt. Lett. 34 (2009) 692.
  61. H. Katori, T. Ido, and M. Kuwata-Gonokami: J. Phys. Soc. Jpn. 68 (1999) 2479.
  62. T. Ido and H. Katori: Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 053001[APS].
  63. A. V. Taichenachev, V. I. Yudin, C. W. Oates, C. W. Hoyt, Z. W. Barber, and L. Hollberg: Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 083001[APS].
  64. A. Brusch, R. Le Targat, X. Baillard, M. Fouch, and P. Lemonde: Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 103003[APS].
  65. Z. W. Barber, C. W. Hoyt, C. W. Oates, L. Hollberg, A. V. Taichenachev, and V. I. Yudin: Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 083002[APS].
  66. X. Baillard, M. Fouche, R. Le Targat, P. G. Westergaard, A. Lecallier, Y. Le Coq, G. D. Rovera, S. Bize, and P. Lemonde: Opt. Lett. 32 (2007) 1812.
  67. C. Lisdat, J. Winfred, T. Middelmann, F. Riehle, and U. Sterr: Phys. Rev. Lett. 103 (2009) 090801[APS].
  68. G. K. Campbell, M. M. Boyd, J. W. Thomsen, M. J. Martin, S. Blatt, M. D. Swallows, T. L. Nicholson, T. Fortier, C. W. Oates, S. A. Diddams, N. D. Lemke, P. Naidon, P. Julienne, J. Ye, and A. D. Ludlow: Science 324 (2009) 360.
  69. K. Gibble: Phys. Rev. Lett. 103 (2009) 113202[APS].
  70. M. Takamoto and H. Katori: J. Phys. Soc. Jpn. 78 (2009) 013301.
  71. A. Rauschenbeutel, H. Schadwinkel, V. Gomer, and D. Meschede: Opt. Commun. 148 (1998) 45[CrossRef].
  72. T. Akatsuka, M. Takamoto, and H. Katori: Nat. Phys. 4 (2008) 954.
  73. T. Akatsuka, M. Takamoto, and H. Katori: Phys. Rev. A 81 (2010) 023402[APS].
  74. M. Takamoto, H. Katori, S. I. Marmo, V. D. Ovsiannikov, and V. G. Pal'chikov: Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 063002[APS].
  75. A. V. Taichenachev, V. I. Yudin, V. D. Ovsiannikov, V. G. Pal'chikov, and C. W. Oates: Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 193601[APS].
  76. H. Katori, K. Hashiguchi, E. Yu. Il'inova, and V. D. Ovsiannikov: Phys. Rev. Lett. 103 (2009) 153004[APS].
  77. V. D. Ovsiannikov, V. G. Pal'chikov, H. Katori, and M. Takamoto: Quantum Electron. 36 (2006) 3.
  78. C. Degenhardt, H. Stoehr, U. Sterr, F. Riehle, and C. Lisdat: Phys. Rev. A 70 (2004) 23414[APS].
  79. S. G. Porsev, A. Derevianko, and E. N. Fortson: Phys. Rev. A 69 (2004) 021403[APS].
  80. A. Ye and G. Wang: Phys. Rev. A 78 (2008) 014502[APS].
  81. R. Santra, E. Arimondo, T. Ido, C. H. Greene, and J. Ye: Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 173002[APS].
  82. T. Hong, C. Cramer, W. Nagourney, and E. N. Fortson: Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 50801[APS].
  83. V. D. Ovsiannikov, V. G. Pal'chikov, A. V. Taichenachev, V. I. Yudin, H. Katori, and M. Takamoto: Phys. Rev. A 75 (2007) 020501[APS].
  84. J.-P. Uzan: Rev. Mod. Phys. 75 (2003) 403[APS].
  85. E. J. Angstmann, V. A. Dzuba, and V. V. Flambaum: Phys. Rev. A 70 (2004) 014102[APS].
  86. I. Courtillot, A. Quessada, R. P. Kovacich, A. Brusch, D. Kolker, J. J. Zondy, G. D. Rovera, and P. Lemonde: Phys. Rev. A 68 (2003) 30501[APS].
  87. T. Mukaiyama, H. Katori, T. Ido, Y. Li, and M. Kuwata-Gonokami: Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 113002[APS].
  88. M. M. Boyd, A. D. Ludlow, S. Blatt, S. M. Foreman, T. Ido, T. Zelevinsky, and J. Ye: Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 083002[APS].
  89. X. Baillard, M. Fouche, R. Le Targat, P. G. Westergaard, A. Lecallier, F. Chapelet, M. Abgrall, G. D. Rovera, P. Laurent, P. Rosenbusch, S. Bize, G. Santarelli, A. Clairon, P. Lemonde, G. Grosche, B. Lipphardt, and H. Schnatz: Eur. Phys. J. D 48 (2008) 11[CrossRef].
  90. Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), Circular T [http://www1.bipm.org/en/scientific/tai/time_ftp.html].
  91. C. W. Hoyt, Z. W. Barber, C. W. Oates, T. M. Fortier, S. A. Diddams, and L. Hollberg: Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 083003[APS].
  92. N. Poli, Z. W. Barber, N. D. Lemke, C. W. Oates, L. S. Ma, J. E. Stalnaker, T. M. Fortier, S. A. Diddams, L. Hollberg, J. C. Bergquist, A. Brusch, S. Jefferts, T. Heavner, and T. Parker: Phys. Rev. A 77 (2008) 050501[APS](R).
  93. Z. W. Barber, J. E. Stalnaker, N. D. Lemke, N. Poli, C. W. Oates, T. M. Fortier, S. A. Diddams, L. Hollberg, C. W. Hoyt, A. V. Taichenachev, and V. I. Yudin: Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 103002[APS].
  94. F.-L. Hong, H. Inaba, K. Hosaka, M. Yasuda, and A. Onae: Opt. Express 17 (2009) 1652.
  95. P. Gill and F. Riehle: Proc. EFTF, 2006, p. 282.
  96. J. Millo, D. V. Magalhaes, C. Mandache, Y. Le Coq, E. M. L. English, P. G. Westergaard, J. Lodewyck, S. Bize, P. Lemonde, and G. Santarelli: Phys. Rev. A 79 (2009) 053829[APS].
  97. H. J. Kimble, B. L. Levz, and J. Ye: Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 260602[APS].
  98. H. Schnatz, O. Terra, K. Predehl, T. Feldmann, T. Legero, B. Lipphardt, U. Sterr, G. Grosche, K. Predehl, T. W. Hänsch, R. Holzwarth, Th. Udem, Z. Lu, L. Wang, W. Ertmer, J. Friebe, A. Pape, E.-M. Rasel, M. Riedmann, and T. Wübbena: Proc. EFTF, 2009, ID7120.
|TOP|  |Next Article|  |Table of Contents| |JJAP Home|
Copyright © 2013 The Japan Society of Applied Physics
Contact Information