Elektrisch geladene Atome (Ionen) können in elektrischen oder magnetischen Fallen über praktisch unbegrenzte Zeit gespeichert werden. Bei der Paul-Falle ist das Speicherfeld ein elektrisches Wechselfeld, das die Form eines Quadrupols hat. Ein derartiges Feld lässt sich durch ein einfaches Elektrodensystem erzeugen. Zum Laden der Falle werden im Speichervolumen neutrale Atome verdampft und mit Hilfe einer Elektronenquelle ionisiert. Durch Laserkühlung können gespeicherte Ionen im Fallenzentrum lokalisiert werden. Die thermische Bewegung kann so weit unterdrückt werden, dass sich gespeicherte Ionen in einer kristallartigen Struktur anordnen.
Die Bewegungsamplitude eines einzelnen lasergekühlten Ions in einer Falle, deren Größe im Millimeter-Bereich liegt, ist typischerweise nicht größer als 0,1 µm. Da die Restbewegung kleiner ist als die Wellenlänge sichtbarer Strahlung, wird die Resonanz bei der optischen Anregung eines atomaren Übergangs nicht mehr durch den linearen Dopplereffekt beeinflusst. Auch die vom Fallenfeld verursachten Verschiebungen der Übergangsfrequenz sind außerordentlich klein, da das Feld im Fallenzentrum verschwindet. Bei dem an der PTB untersuchten 171Yb+-Ion und einigen anderen Ionen erwartet man, dass die relative systematische Unsicherheit bei der Darstellung von atomaren Übergangsfrequenzen auf 1×10-18 reduziert werden kann.
In unserer Arbeitsgruppe wird ein optisches Frequenznormal auf der Basis eines gespeicherten 171Yb-Ions untersucht. Als Referenzübergang wird der Übergang vom Grundzustand zum Zustand 2D3/2(F=2) angeregt. Die Frequenz dieses Übergangs liegt bei 688 THz (Wellenlänge 436 nm), seine natürliche Linienbreite beträgt 3,1 Hz. Gegenwärtig wird dieser Übergang mit einer minimalen Linienbreite von 10 Hz aufgelöst. Die absolute optische Übergangsfrequenz wurde mit einer relativen Unsicherheit von 3×10-15 bestimmt. Bei dieser Messung diente das Cäsium-Fontänen-Frequenznormal CSF1 als Referenz "Zeitnormale" (AG 4.41). Die Ausgangssignale des 171Yb+-Normals und vom CSF1 wurden mit Hilfe eines Frequenzkamm-Generators miteinander verglichen.
Ziel der gegenwärtigen Arbeiten ist es, genauere Informationen über Verschiebungen der atomaren Übergangsfrequenz durch das Fallenfeld zu erhalten. Die erforderliche Messgenauigkeit kann durch Vergleiche mit herkömmlichen Frequenznormalen nicht erreicht werden. Deshalb werden zwei 171Yb+-Frequenznormale unter verschiedenen Betriebsbedingungen direkt miteinander verglichen.
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2011-10-18, Webmaster Abteilung 4
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