Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
Optikaufbauten des Experiments zur Thorium-Kernuhr.

Optische Frequenznormale mit 171Yb+

Optische Frequenznormale nutzen die Anregung eines atomaren Referenzübergangs im optischen Spektralbereich (100 - 1000 THz). Als Referenz benutzt man einen "verbotenen" Übergang mit kleiner natürlicher Linienbreite, der mit einem Laser hoher Frequenzstabilität angeregt wird. Durch die höhere Arbeitsfrequenz lässt sich eine um mehrere Grössenordungen höhere Genauigkeit und Stabilität erreichen als mit den besten Cäsiumfontänen-Uhren. Zur Unterdrückung von Frequenzverschiebungen durch den linearen Doppler-Effekt muss grundsätzlich die Bedingung erfüllt werden, dass die verwendeten Atome oder Ionen in einem Speicherpotential lokalisiert sind und dass ihre Bewegungsamplitude auf weniger als die Anregungswellenlänge reduziert ist.

Ionen können in elektrischen oder magnetischen Fallen über praktisch unbegrenzte Zeit gespeichert werden. Bei optischen Frequenznormalen auf der Basis eines einzelnen Ions ist das Speicherfeld typischerweise ein elektrisches Wechselfeld, das die Form eines Quadrupols hat. Ein derartiges Feld lässt sich durch einfache Elektrodensysteme erzeugen (Abb. 1). Zum Laden der Falle werden neutrale Atome verdampft und im Speichervolumen durch Laseranregung oder durch Stöße mit Elektronen ionisiert. 

Diese beiden Ionenfallen werden in optischen Uhren der PTB eingesetzt

Abb. 1: Aufbau der in unseren Experimenten verwendeten Ionenfallen.
Links: Falle mit Ring- und Kappenelektroden (Ringdurchmesser 1,3 mm).
         Rechts: Falle in "Endkappen"-Geometrie, gebildet aus einem Paar konzentrischer Elektroden.

Durch Laserkühlung werden gespeicherte Ionen im Potentialminimum des Speicherfeldes lokalisiert (Abb. 2). Für ein einzeln gespeichertes Ion können Verschiebungen der Frequenz des Referenzübergangsdurch die Wechselwirkung mit dem Speicherfeld außerordentlich klein gemacht werden, weil dessen Feldstärke im Potentialminimum einen Nulldurchgang aufweist.

Abb. 2: Fluoreszenzemission (370 nm) von 5 lasergekühlten Yb+-Ionen. Blau/grün/rot: Hohe/mittlere/niedrige Intensität. Die grössere Restbewegung der ausserhalb des Fallenzentrums liegenden Ionen führt dazu, dass sie etwas dunkler und unschärfer erscheinen als das zentrale Ion. 

Falschfarbenbild des Fluoreszenzlichts von fünf Ytterbium Ionen

In unserer Arbeitsgruppe werden optische Frequenznormale auf der Basis eines 171Yb+-Ions entwickelt (Abb. 3). Im Unterschied zu anderen gegenwärtig untersuchten Ionen hat 171Yb+ zwei geeignete Referenzübergänge, die sich in den für optische Frequenznormale relevanten Eigenschaften stark unterscheiden: Es gibt einen für elektrische Quadrupolstrahlung erlaubten Übergang ("E2") mit einer natürlichen Linienbreite von 3,1 Hz und einen Oktupolübergang ("E3"). Seine natürliche Linienbreite ist praktisch vernachlässigbar, so dass die Breite des Resonanzsignals nur von der Stabilität des Anregungslasers und der Länge des Anregungspulses bestimmt wird (Abb. 4).

Ausschnitt aus dem Energieniveauschema des Ytterbium-Plus-Ions

Abb. 3: Ausschnitt aus dem Energieniveauschema von 171Yb+. Dargestellt sind die bei uns untersuchten Referenzübergänge ("clock") sowie der Kühlübergang und die während der Kühlphasen ebenfalls angetriebenen Rückpumpübergänge.

Experimentelles Spektrum der Resonanzlinie einer optischen Uhr

Abb. 4: Im Experiment beobachtetes Resonanzsignal (grau) und berechnete Linienform (rot) bei der Anregung des 2S1/2(F=0) -2F7/2(F=3)-Übergangs eines gespeicherten 171Yb+-Ions. Die Anregungswahrscheinlichkeit bei der jeweils engestellten Laserfrequenz wurde durch Mittelung über 20 Kühl-/Anregungszyklen bestimmt. Länge der Anregungspulse: 335 ms, Leistung: 50 µW in 40 µm Strahldurchmesser.