The advent of novel measurement instrumentation can lead to paradigm shifts in scientific research. Optical atomic clocks, due to their unprecedented stability and uncertainty, are already being used to test physical theories and herald a revision of the International System of units (SI). However, to unlock their potential for cross-disciplinary applications such as relativistic geodesy, a major challenge remains. This is their transformation from highly specialized instruments restricted to national metrology laboratories into flexible devices deployable in different locations. Here we report the first field measurement campaign performed with a ubiquitously applicable $^{87}$Sr optical lattice clock. We use it to determine the gravity potential difference between the middle of a mountain and a location 90 km apart, exploiting both local and remote clock comparisons to eliminate potential clock errors. A local comparison with a $^{171}$Yb lattice clock also serves as an important check on the international consistency of independently developed optical clocks. This campaign demonstrates the exciting prospects for transportable optical clocks.

We present a transportable optical clock (TOC) with Sr87. Its complete characterization against a stationary lattice clock resulted in a systematic uncertainty of 7.4×10−17, which is currently limited by the statistics of the determination of the residual lattice light shift, and an instability of 1.3×10−15/τ with an averaging time τ in seconds. Measurements confirm that the systematic uncertainty can be reduced to below the design goal of 1×10−17. To our knowledge, these are the best uncertainties and instabilities reported for any transportable clock to date. For autonomous operation, the TOC has been installed in an air-conditioned car trailer. It is suitable for chronometric leveling with submeter resolution as well as for intercontinental cross-linking of optical clocks, which is essential for a redefinition of the International System of Units (SI) second. In addition, the TOC will be used for high precision experiments for fundamental science that are commonly tied to precise frequency measurements and its development is an important step to space-borne optical clocks.Received 20 September 2016DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.073601© 2017 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasAtomic spectraAtomic, optical & lattice clocksCooling & trappingAtomic, Molecular & Optical

We have measured the geopotential difference between two locations separated by 457 km by comparison of two optical lattice clocks via an interferometric fiber link, utilizing the gravitational redshift of the clock transition frequency. The 87Sr clocks have been compared side-by-side before and after one of the clocks was moved to the remote location. The chronometrically measured geopotential difference of 3918.1(2.6)m2s−2 agrees with an independent geodetic determination of 3915.88(0.30)m2s−2. The uncertainty of the chronometric geopotential difference is equivalent to an uncertainty of 27cm in height. Published by the American Physical Society 2024