Abstract The pursuit of better atomic clocks has advanced many research areas, providing better quantum state control, new insights in quantum science, tighter limits on fundamental constant variation and improved tests of relativity. The record for the best stability and accuracy is currently held by optical lattice clocks. Here we take an important step towards realizing the full potential of a many-particle clock with a state-of-the-art stable laser. Our 87 Sr optical lattice clock now achieves fractional stability of 2.2 × 10 −16 at 1 s. With this improved stability, we perform a new accuracy evaluation of our clock, reducing many systematic uncertainties that limited our previous measurements, such as those in the lattice ac Stark shift, the atoms’ thermal environment and the atomic response to room-temperature blackbody radiation. Our combined measurements have reduced the total uncertainty of the JILA Sr clock to 2.1 × 10 −18 in fractional frequency units.

Optical atomic clocks require local oscillators with exceptional optical coherence owing to the challenge of performing spectroscopy on their ultranarrow-linewidth clock transitions. Advances in laser stabilization have thus enabled rapid progress in clock precision. A new class of ultrastable lasers based on cryogenic silicon reference cavities has recently demonstrated the longest optical coherence times to date. Here we utilize such a local oscillator with two strontium (Sr) optical lattice clocks to achieve an advance in clock stability. Through an anti-synchronous comparison, the fractional instability of both clocks is assessed to be $$4.8 \times 10^{ - 17}/\sqrt \tau$$ for an averaging time τ (in seconds). Synchronous interrogation enables each clock to average at a rate of $$3.5 \times 10^{ - 17}/\sqrt \tau$$ , dominated by quantum projection noise, and reach an instability of 6.6 × 10−19 over an hour-long measurement. The ability to resolve sub-10−18-level frequency shifts in such short timescales will affect a wide range of applications for clocks in quantum sensing and fundamental physics. By using an ultrastable oscillator based on a cryogenic Si cavity, the fractional instability of two Sr optical lattice clocks at 1 s reaches 4.8 × 10−17 and 3.5 × 10−17 through anti-synchronous and synchronous comparisons, respectively.

Strontium optical lattice clocks have the potential to simultaneously interrogate millions of atoms with a high spectroscopic quality factor of $4 \times 10^{-17}$. Previously, atomic interactions have forced a compromise between clock stability, which benefits from a large atom number, and accuracy, which suffers from density-dependent frequency shifts. Here, we demonstrate a scalable solution which takes advantage of the high, correlated density of a degenerate Fermi gas in a three-dimensional optical lattice to guard against on-site interaction shifts. We show that contact interactions are resolved so that their contribution to clock shifts is orders of magnitude lower than in previous experiments. A synchronous clock comparison between two regions of the 3D lattice yields a $5 \times 10^{-19}$ measurement precision in 1 hour of averaging time.

Abstract Cytoplasmic dynein is essential for intracellular transport, but because of its complexity, we still do not fully understand how this 1.5 megadalton protein works. Here, we used novel optical probes that enable single-particle tracking (SPT) of individual cargos transported by dynein motors in live neurons over 900 μm . Analyses using the Fluctuation Theorem (FT) showed that the number of dynein molecules switches between 1-5 motors during the transport. Clearly resolved single-molecular steps revealed that the dwell times between individual steps were accurately described by an enzymatic cycle dominated by two equal and thermally-activated rate constants. Based on these data, we propose a new molecular model whereby each step requires the hydrolysis of 2 ATPs. The model is consistent with extensive structural, single-molecule and biochemical measurements.

Aging and its associated diseases result from complex changes in cell state which can be examined with single-cell transcriptomic approaches. We analyzed gene expression noise, a measure of cellular heterogeneity, across age and many cell types and tissues using the single cell atlas Tabula Muris Senis , and characterized the noise properties of most coding genes. We developed a quantitative, well-calibrated statistical model of single-cell RNAseq measurement from which we sensitively detected changes in gene expression noise. We found thousands of genes with significantly changing gene expression noise with age. Not all genes had increasing noise with age—many showed a robust decreases of noise. There were clear biological correlation between subsets of genes, with a systemic decrease of noise in oxidative phosphorylation pathways while immune pathways involved in antigen presentation saw an increase. These effects were seen robustly across cell types and tissues, impacting many organs of healthy, aging mice.

Abstract Cytoplasmic dynein is essential for intracellular transport. Despite extensive in vitro characterizations, how the dynein motors transport vesicles by processive steps in live cells remains unclear. To dissect the molecular mechanisms of dynein, we develop optical probes that enable long-term single-particle tracking in live cells with high spatiotemporal resolution. We find that the number of active dynein motors transporting cargo switches stochastically between one and five dynein motors during long-range transport in neuronal axons. Our very bright optical probes allow the observation of individual molecular steps. Strikingly, these measurements reveal that the dwell times between steps are controlled by two temperature-dependent rate constants in which two ATP molecules are hydrolyzed sequentially during each dynein step. Thus, our observations uncover a previously unknown chemomechanical cycle of dynein-mediated cargo transport in living cells.

We demonstrate an optical microscope that localizes gold nanoparticles to under 1 nm in 10 µs with illumination conditions compatible with live cell imaging. This enables molecular-scale measurements of molecular motor dynamics in intracellular transport.