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Optische Gitteruhren

Arbeitsgruppe 4.32

Strontium Gitteruhr

Bild

Blau fluoreszierende Wolke (Pfeil) aus Strontium-Atomen, die eine Temperatur von wenigen Milli-Kelvin haben.

Optische Uhren könnten die Atomuhren der Zukunft werden. Ihr „Pendel“, also der regelmäßige Schwingungsvorgang, den jede Uhr braucht, ist eine Schwingung im Bereich sichtbaren Lichts. Weil dessen Frequenz 10 000- bis 100 000-fach höher ist als bei den Mikrowellenschwingungen der Cäsium-Atomuhren, wird noch einmal eine Steigerung in der Genauigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit erreicht.

Energieniveauschema des Strontium-Atoms mit Wellenlängen und Übergangsraten. Der Übergang bei 698 nm dient als „Pendel“ der optischen Gitteruhr.

Bei der optischen Gitteruhr werden Strontiumatome im Interferenzmuster zweier Laserstrahlen festgehalten. In diesem so genannten „optischen Gitter“ kann dann das atomare „Pendel“, d.h. die Absorptionsfrequenz der Atome, sehr genau bestimmt werden – derzeit mit einer Genauigkeit von 17 Stellen.

Schematische Darstellung eines optischen Gitters. Die Atome werden in den Intensitätsmaxima der stehenden Welle des optischen Gitters gefangen. Bei der „magischen Wellenlänge“ ist die Verschiebung durch das Fallenlicht bei beiden Zuständen des Uhrenübergangs genau gleich, und die Linie kann ungestört beobachtet werden.

Durch die genaue Vermessung der Reaktion der Frequenz des Uhrenübergangs auf das Wärmestrahlungsfeld der Umgebung, konnten die relative Unsicherheit der Strontium-Gitteruhr der PTB auf wenige 10-17 verringert werden. Die Ergebnisse werden jetzt auch von anderen Gruppen in der Welt genutzt, um ihre Strontium Gitteruhren zu verbessern.

Wir arbeiten jetzt daran, andere Unsicherheitsbeiträge weiter zu verringern, indem die frequenzverschiebende Effekte genauer untersucht und kontrolliert werden.

Durch den Vergleich unseres Frequenznormals mit den primären Uhren der PTB und anderen optischen Uhren können wir neue Erkenntnisse über z.B. Fragen nach zeitlichen Variationen von Naturkonstanten erhalten.

Kontakt

Arbeitsgruppenleiter Dr. Christian Lisdat
Tel.: 0531 592-4320
Fax: 0531 592-69 4320
E-Mail: Christian Lisdat