Physikalisch-Technische Bundesanstalt

High-accuracy optical clocks with trapped ions

Atomuhren bilden die Basis für die internationale Atomzeit TAI. Der Bedarf an hochgenauen Zeitinformationen ist weit gefächert und reicht von der Navigation, über Telekommunikation bis zum Management von Netzen und vieles mehr. Die Realisierung der Einheit der Zeit (Sekunde) spielt eine zentrale Rolle innerhalb des internationalen Maßeinheitensystems, einerseits, weil sie sehr genau angegeben werden kann. Andererseits wird die Einheit der Zeit für die Realisierung anderer Einheiten wie Meter, Volt und Ampere benötigt. Die Einheit der Zeit wird weiter an Bedeutung zunehmen, wenn die Neudefinition der SI-Einheiten vollzogen ist. Mit Ausnahme der Einheit Mol, die als eine Zahl festgelegt ist, werden dann alle Basiseinheiten auf Fundamentalkonstanten zurückgeführt werden und die Definition der Sekunde nutzen.

Die besten optischen Uhren haben zwischenzeitlich ein Maß an Reproduzierbarkeit erreicht, das eine Größenordnung über dem primärer Cäsiumuhren liegt. Dies untermauert Bestrebungen, die Definition der Sekunde zukünftig über Messungen mit optischen Uhren zu realisieren. Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Leistungsfähigkeit von Einzelionenuhren weiter zu steigern, indem die beiden Schlüsselkomponenten, Ionenfalle und Abfragelaser, verbessert werden. Der Ergebnisse des Projektes werden es auch ermöglichen, eine Vorauswahl für geeignete Kandidaten einer zukünftigen primären optischen Uhr zu treffen. Zur Zeit gibt es verschiedenste Realisierungen von Einzelionenuhren, die sich unter anderem in den verwendeten Ionen unterscheiden.

Qualitativ hochwertige Messungen mit Einzelionenuhren sind keine Routine, sondern erfordern derzeit noch besonderen Aufwand, insbesondere stabile Umgebungsbedingungen. Für die breitere Anwendung in Wissenschaft und Technik werden robuste Uhren benötigt, die auch unter harschen Bedingungen, wie sie beispielsweise im Weltraum vorherrschen, gute Resultate liefern. Auch in dieser Richtung werden im Projekt Arbeiten erfolgen.

Die Bereitstellung einer verbesserten Zeitbasis, wie sie im Projekt realisiert werden soll, ist eine wesentliche Voraussetzung, um die Grundlagenphysik voranzutreiben. Hierzu gehört die Suche nach Abweichungen von den bekannten physikalischen Gesetzen oder zeitliche Änderungen in Naturkonstanten.

Das Forschungsprojekt wird von der PTB koordiniert. Zudem hat sie die Federführung in einem der technischen Arbeitspakete inne, in der der Störeinfluß der Schwarzkörperstrahlung auf die eingefangenen Ionen genauer untersucht wird. Die von der Strahlung bewirkte Frequenzverschiebung könnte prinzipiell durch einen Betrieb der optischen Uhren bei tiefen Temperaturen minimiert werden. Jedoch ist ein solcher Betrieb komplex und kostenintensiv und kann nur in einem geeigneten Labor realisiert werden. Im Hinblick auf zukünftige Anwendungen sollten optischen Uhren bei Raumtemperatur betrieben werden können. Dies erfordert, dass man den Effekt der Schwarzkörperstrahlung in den Messungen korrigieren kann.

Weitere Informationen über das Projekt und die Projektpartner:

Projekt-Webseite

Ansprechpartner

Dr. Ekkehard Peik
Telefon: 0531 592 4400
E-Mail: ekkehard.peik@ptb.de