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Panoramablick in die Uhrenhalle der PTB mit den vier Caesiumuhren CS1, CS2, CSF1 und CSF2.

Zeitnormale

Arbeitsgruppe 4.41

Profil

Die Arbeitsgruppe entwickelt und betreibt primäre Caesium-Atomuhren als Normale für Zeit und Frequenz gemäß der im Internationalen Einheitensystem (SI) festgelegten Definition der Zeiteinheit „Sekunde“. Das Ensemble der an der PTB gebauten Uhren  bilden einerseits die konventionellen Caesium-Uhren CS1 und CS2 mit einem thermischen Atomstrahl und andererseits die modernen Caesium-Fontänenuhren CSF1 und CSF2 (Nationales Normal für Zeit und Frequenz) mit lasergekühlten Atomen, die weltweit zu den genauesten  Atomuhren gehören.

Als Hauptaufgaben werden mit diesen vier primären Caesium-Atomuhren die nationale Referenzzeitskala UTC(PTB) gemeinsam mit der Arbeitsgruppe Zeitübertragung realisiert und regelmäßige Beiträge zur Steuerung der Internationalen Atomzeit TAI durch das  BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) geleistet, um eine Übereinstimmung der Referenzzeitskalen weltweit zu gewährleisten.

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Forschung/Entwicklung

Die Qualität einer primären Atomuhr lässt sich einerseits durch die physikalischen Größen Frequenzstabilität und systematische Frequenzunsicherheit charakterisieren. Andererseits drückt sie sich aus durch eine hohe zeitliche Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Die Arbeitsgruppe forscht und arbeitet fortwährend an Verbesserungen in diesen Bereichen. Die Fontänenuhren CSF1 und CSF2 gehören in allen genannten Bereichen zur Weltspitze, die aus etwa einer Handvoll Fontänenuhren in wenigen großen nationalen Metrologieinstituten gebildet wird.

Durch wiederholte Absolutmessungen optischer Frequenzen in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Optische Uhren mit gespeicherten Ionen ist die Arbeitsgruppe 4.41 an Untersuchungen zu möglichen zeitlichen Variationen von Naturkonstanten beteiligt, die von verschiedenen Theorien über die Vereinigung der Fundamentalkräfte vorhergesagt werden.

Ein wichtiges Projekt ist der für die nahe Zukunft geplante Vergleich der PTB-Fontänenuhren mit den besten Fontänenuhren in anderen Ländern über das Atomic Clock Ensemble in Space (ACES), das im Jahr 2017 an Bord der Internationalen Raumstation ISS gebracht werden soll. Erwartet werden Frequenzvergleiche zwischen entfernt liegenden Fontänenuhren mit bislang unerreichter Genauigkeit.

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Dienstleistungen

Die primären Atomuhren bilden mit der Steuerung  der nationalen Referenzzeitskala UTC(PTB) die Basis für alle Zeitdienste der PTB und tragen darüber hinaus zur Stabilität und Genauigkeit der Internationalen Atomzeit TAI bei.

Außerdem bieten die Fontänenuhren der Arbeitsgruppe 4.41 die Möglichkeit, Absolutfrequenzmessungen höchster Genauigkeit durchzuführen. Damit dienen sie  zur Kontrolle anderer Atomuhren und leisten wertvolle Hilfestellung bei der Entwicklung zukünftiger, noch genauerer optischer Atomuhren. Dazu werden Absolutmessungen optischer Übergangsfrequenzen, die in Zukunft für eine Neudefinition der Zeiteinheit in Frage kommen, mit Hilfe der Fontänenuhren durchgeführt. Dieses geschieht in Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen Optische Uhren mit gespeicherten Ionen und Optische Gitteruhren an der PTB.

Darüber hinaus wurden mit den Fontänenuhren der PTB und in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Frequenzübertragung mit Glasfasern auch Absolutmessungen optischer Übergangsfrequenzen am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und an der Leibniz Universität Hannover über optische Langstrecken-Faserverbindungen durchgeführt.

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Informationen

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