title: Computational characterisation of Ra+ and Sr+ for the development of optical atomic clocks
Creators: name: Cserveny, Robin
Publisher: name: :none
Year: 2025

description: Motiviert durch den Plan, optische Atomuhren basierend auf Ra+ und Sr+ in Richtung ihrer prognostizierten Präzisionen weiterzuentwickeln, präsentiere ich eine umfassende Charakterisierung dieser alkaliähnlichen Ionen. Zu den berechneten Schlüsselgrößen gehören Lebensdauern, Übergangsmatrixelemente sowie Polarisierbarkeiten. Diese Arten von Atomuhren bieten außergewöhnliches Potential für Studien der theoretischen Physik, wie etwa Variationen der Feinstrukturkonstante, Verletzungen der atomaren Parität oder die Suche nach Dunkler Materie. Alle Berechnungen für diese Arbeit wurden mithilfe des Codes AMPSCI durchgeführt. Ich präsentiere Werte für reduzierte elektrische Dipol-, elektrische Quadrupol-, und magnetische Dipol-Matrixelemente, atomare Spektren, Lebensdauern angeregter Zustände, sowie statische und dynamische Polarisierbarkeiten. Darüber hinaus werden magische Wellenlängen, Hyperfein A-Konstanten und Sensitivitätskoeffizienten für eine mögliche zeitliche Variation der Feinstrukturkonstante bereitgestellt. Diese Größen wurden mithilfe der Korrelationspotentialmethode auf All-Orders-Niveau berechnet, wobei Korrekturen durch quantenelektrodynamische Effekte, die Breit-Wechselwirkungsowie durch Strukturstrahlung und Normierung berücksichtigt werden. Für diese Berechnungen wurden hauptsächlich niedrig liegende s- und p-Valenzzustände bis n = 8 und d-Zustände bis n = 6 für Ra+ betrachtet, während die entsprechenden n-Werte für Sr+ auf n = 6 und n = 4 begrenzt wurden. Zusätzlich werden Daten für Ba+ bereitgestellt, das aufgrund seiner ähnlichen atomaren Struktur als Vergleich sowie als "proof of concept" diente. Ziel dieser Arbeit ist es, die Weiterentwicklung der Ra+ und Sr+ optischen Atomuhren hin zu ihrer prognostizierten Präzision von etwa 10E−18 zu unterstützen. Die präsentierten Ergebnisse bilden eine solide Grundlage für weitere experimentelle und theoretische Fortschritte auf diesem Gebiet.
description: Motivated by the plan to develop Ra+ and Sr+ optical atomic clocks toward their projected precisions, I present a comprehensive computational characterisation of these alkali-like ions. Calculated key quantities include lifetimes, transition matrix elements as well as polarisabilities. Those types of atomic clocks possess exceptional potential for studies of fundamental physics such as investigations into variations in the fine-structure constant, violations of atomic parity, and searches for dark matter. All calculations for this study were performed using the dedicated code library AMPSCI. I provide values for reduced electric dipole, electric quadrupole, and magnetic dipole matrix elements, atomic spectra, lifetimes of excited states, and both static and dynamic polarisabilities. Additionally, magic wavelengths, hyperfine A and field shift constants, and sensitivity coefficients to a possible time variation in the fine-structure constant are reported. These quantities were computed using the all-orders correlation potential method, supplemented with corrections for quantumelectrodynamical effects, Breit interaction, as well as structure radiation and normalisation. I primarily consider low-lying s and p valence states up to n = 8, and d states up to n = 6 for Ra+, with corresponding states for Sr+ truncated to n = 6 and n = 4, respectively. For comparison and proof of concept, additional calculations are presented for Ba+, whose similar atomic structure helped to benchmark the methodology. This thesis aims to support the ongoing development of Ra+ and Sr+ optical atomic clocks towards their projected fractional frequency uncertainties on the order of 10E−18. The presented results offer a solid foundation for further experimental and theoretical advances in this field.