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Optische Gitteruhren

Arbeitsgruppe 4.32

Profil

Die Arbeitsgruppe behandelt die Wechselwirkungen von Atomen mit dem Licht von ultrastabilen Lasern im Hinblick auf Anwendungen für hochgenaue Messungen und optische Atomuhren mit neutralen Atomen.

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Forschung/Entwicklung

Optische Atomuhren sind die Uhren der Zukunft. 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 eine erhebliche Steigerung in der Genauigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit erreicht.

Bei einer optischen Gitteruhr werden Strontium- oder ähnliche Atome in den Interferenz­maxima zweier Laserstrahlen festgehalten. In diesem so genannten „optischen Gitter“ kann dann die Schwingungsfrequenz des atomaren „Pendel“, d.h. die Absorptionsfrequenz der Atome, sehr genau bestimmt werden – derzeit mit einer Genauigkeit von 17 Stellen. 

Abbildung1: 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 für beide Zustände des Uhrenübergangs genau gleich, und die Linie kann ungestört beobachtet werden.

Die Schwingungsfrequenz des Isotops 87Sr stellt bereits heute eine so genannte „sekundäre Repräsentation“ der Zeiteinheit der internationalen Einheitensystems dar und beträgt ν0 = 429 228 004 229 873,2 Hz. Die Unsicherheit von 0,22 Hz, mit der diese Frequenz bekannt ist, wird dabei durch die Cäsium-Atomuhren begrenzt, welche die physikalischen Größen Zeit bzw. Frequenz darstellen. Tatsächlich müssen optische Atomuhren bereits heute direkt miteinander verglichen werden, um ihre Genauigkeit voll ausnutzen zu können.

Die Arbeitsgruppe entwickelt und betreibt derzeit vornehmlich zwei optische Gitteruhren auf Basis von Strontiumatomen. Im Fokus der einen Uhr stehen die stetige Verbesserung von Genauigkeit und Stabilität von Strontiumatomuhren sowie die Erprobung neuer Technologien und Techniken. Während diese Uhr ausschließlich im Labor an der PTB betrieben wird, ist die zweite Uhr transportabel und kann z. B. an andere Forschungsinstitute gebracht werden, um dort Messungen durchzuführen. Das Ziel ist dabei, einerseits ein für den Transport ausreichend kompaktes und zuverlässiges System zu entwickeln, andererseits jedoch bestmögliche geringe Genauigkeit oder Stabilität zu erhalten.

Mehrere hochstabile Lasersysteme, die als „Uhrwerk“ der Atomuhren dienen, werden gemeinsam mit der Arbeitsgruppe 4.31 entwickelt.

Beide Uhren kommen außerdem im Rahmen zahlreicher Kooperationen und weitergehender Forschungen zum Einsatz. Dazu gehören z. B. Vergleiche unterschiedlicher optischer Uhren sowie Fernvergleiche zwischen verschiedenen Instituten, die wichtige Schritte auf dem Weg zu einer zukünftigen Neudefinition der ‚Sekunde‘ darstellen und in enger Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen 4.34, 4.41, 4.42 und 4.43 sowie dem QUEST-Institut an der PTB und anderen internationalen Partnern erfolgen. Darüber hinaus kommen optische Atomuhren auch bei der Erforschung fundamentaler Fragestellungen der modernen Physik, wie der Vereinheitlichung von Allgemeiner Relativität und Quantenphysik, sowie in der neuartigen relativistischen Geodäsie, d.h. Erdvermessung unter Ausnutzung relativistische Effekte, zur Anwendung.

ProjekteProjekte

Die Arbeitsgruppe verfolgt zahlreiche Forschungsvorhaben in Kooperation mit der QUEST-Leibniz-Forschungsschule der Leibniz Universität Hannover, zahlreichen Metrologieinstituten und Forschungsgruppen weltweit, sowie der europäischen Weltraumagentur.

Relativistic Geodesy and Gravimetry with Quantum Sensors

Gemeinsam mit der Leibniz Universität Hannover und anderen Partnern erforschen verschiedene Arbeitsgruppen der PTB im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1128 Relativistic Geodesy and Gravimetry with Quantum Sensors (geo-Q) neuartige Methoden der Quantenmetrologie für die Untersuchung von Gravitationsfeldern. Insbesondere im Bereich der relativistischen Geodäsie, d.h. der Erdvermessung durch Ausnutzung der allgemeinen Relativitätstheorie, bieten sich durch die Fortschritte optischer Atomuhren faszinierende Möglichkeiten.

Fundamentals and Applications of Ultra-cold Matter

Als Teil des Graduiertenkollegs 1729 arbeitet die Arbeitsgruppe mit einer Vielzahl anderer Forschungsgruppen aus den Bereichen Metrologie, Quantenoptik, Atom- und Molekülphysik  an der PTB und der Leibniz Universität Hannover zusammen. Schwerpunkt der Forschung sind Grundlagenforschung mit ultrakalten Gasen und ihre Anwendungen. Zu den Hauptzielen gehört es dabei die Doktoranden der beteiligten Arbeitsgruppen früh in die Spitzenforschung einzubinden zu vernetzen. Durch zahlreiche Seminare und Vorlesungsreihen mit internationalen Gastsprechern soll ihnen zudem ein ebenso breites wie tiefes Verständnis des Forschungsgebiets vermittelt werden.

International Timescales with Optical Clocks

Innerhalb des Europäischen Metrologie-Forschungsprogramms EMRP untersuchen wir im Projekt ITOC, welche Voraussetzungen erfüllt werden müssen, um die Basiseinheit Sekunde zukünftig mit optischen Uhren zu realisieren. Hierzu führen wir umfangreiche Vergleiche optischer Uhren durch und entwickeln transportable Uhren als sogenannte Transfernormale.

Quantum Engineered States for Optical Clocks and Atomic Sensors

QESOCAS ist ebenfalls ein Projekt im ERMP, bei dem fortschrittliche Quantentechnologien zur Verbesserung optischer Uhren eingesetzt werden sollen. Der Fokus liegt auf einem intensven Austausch mit verschiedenen universitären Gruppen, die führend bei der Verschränkung atomarer Ensembles für spektroskopische Zwecke sind.

Space Optical Clocks 2

In SOC2 entwickeln wir in einem großen europäischen Konsortium eine besonders kompakte und leistungseffiziente Strontium-Gitteruhr. Mit diesem Aufbau wird die Technologie optischer Uhren bezüglich ihrer Weltraumtauglichkeit vorangetrieben. Bei SOC handelt es sich um eine sogenannte „candidate mission“ für die internationale Raumstation ISS, d.h. SOC bewirbt sich in Konkurrenz zu anderen Kandidaten um einen Flug der Uhr zur ISS.

Optical Clocks 18

Mit OC18 werden wir unsere Arbeiten aus ITOC im Europäischen Metrologieprogramm für Innovation und Forschung EMPIR fortsetzen. Der Fokus der Arbeiten wird sich auf die Reduktion der relativen Messunsicherheiten der optischen Uhren in den niedrigen 10-18-Bereich liegen. Insbesondere wird unsere Arbeitsgruppe eine kryogene Strontium-Uhr betreiben, in der die bislang größte systematische Frequenzverschiebung aufgrund der Wechselwirkung mit der thermischen Strahlung der Umgebung praktisch eliminiert wird.

Initial Training Network FACT

Im Projekt ITN-FACT arbeiten wir mit anderen Partner aus Forschung und Industrie daran die Technologie optischer Atomuhren im Hinblick auf kommerzielle Nutzung und zukünftige Anwendungen weiterzuentwickeln. Dabei steht die Förderung und Vernetzung junger Forscher der beteiligten Partnerinstitutionen im Vordergrund.

Bachelor/Master/Doktor-ArbeitenBachelor/Master/Doktor-Arbeiten

Eine Aufstellung der in der Arbeitsgruppe durchgeführten Promotionen findet sich unter Publikationen. Wenn Sie an einer Promotion bei uns Interesse haben oder z.B. Ihre Masterarbeit durchführen möchten, bewerben Sie sich bitte bei uns.

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Dienstleistungen

Im Bereich dieser Arbeitsgruppe werden keine Dienstleistungen erbracht. Die Dienstleistungen des Fachbereichs und der anderen Arbeitsgruppen werden auf den jeweiligen Webseiten beschrieben.

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Informationen

Stationäre Uhr

Durch die genaue Vermessung der Reaktion der Frequenz des Uhren­übergangs auf das Wärme­strahlungs­feld der Umgebung, konnten die relative Unsicherheit der Stronium-Gitteruhr der PTB auf wenige 10-17 verringert werden (siehe Publikationen). Die Ergebnisse werden von allen Gruppen mit Strontium-Gitteruhren in der Welt genutzt, um die Genauigkeit ihrer Strontium-Uhren zu verbessern. Wir arbeiten jetzt daran, andere Un­sicher­heits­beiträge weiter zu verringern, indem die frequenz­ver­schiebenden 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.

Transportable Uhr

Da optische Atomuhren eine Genauigkeit erreichen, die höher ist, als die Genauigkeit der primären Uhren, müssen diese für Vergleiche mit der vollen Genauigkeit direkt verglichen werden. Vergleiche räumlich entfernter Uhren können über Glasfasern stattfinden oder mit einer transportablen Uhr.

Die Entwicklung transportabler Uhren ist neben diesen metro­logischen Anwendungen auch für die Grundlagenforschung mit Uhren z. B. im Weltraum von Interesse. Wir planen außerdem, unsere transportable Uhr für Anwendungen in der Geodäsie zu nutzen, wobei der Gangunterschied zweier Uhren aufgrund ihrer unterschiedlichen Höhe (Gravitations-Rotverschiebung) vermessen wird. Angestrebt wird dabei langfristig eine Höhenauflösung von unter 10 cm, was einer relativen Unsicherheit der Frequenz von weniger als 10-17 entspricht.

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