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Optikaufbauten des Experiments zur Thorium-Kernuhr.

Optische Uhren mit gespeicherten Ionen

Arbeitsgruppe 4.43

Profil

Die Arbeitsgruppe befasst sich mit Forschung und Entwicklung für optische Uhren mit gespeicherten Ionen. Ein einzelnes Ion, das im Ultrahochvakuum in einer Paul-Falle von einem elektrischen Wechselfeld gehalten wird und dessen Bewegung durch Laserkühlung bis nahe an den absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlt ist, stellt ein nahezu ideales Objekt für die Spektroskopie dar. Die weitgehende Reduzierung äußerer Störungen, die in diesem System möglich ist, erlaubt die  Realisierung ungestörter atomarer Übergangsfrequenzen und damit eine Atomuhr höchster Genauigkeit. Das von uns untersuchte 171Yb+-Ion besitzt zwei unterschiedliche Referenzübergänge für optische Uhren, von denen insbesondere ein äußerst schmalbandiger elektrischer Oktupolübergang  eine geringe systematische Unsicherheit ermöglicht: Zurzeit schätzen wir diese mit 3×10-18 ab. Dies entspricht einer Unsicherheit der Uhr von etwa 200 optischen Schwingungszyklen (260 Femtosekunden) pro Tag oder von etwa 1 s über das Alter des Universums.  Für die Anbindung der optischen Uhren  an die Cäsium-Atomuhren und  für Frequenzvergleiche von optischen Uhren untereinander entwickeln wir auf Femtosekunden-Lasern basierende optische Frequenzkämme.

Wir erwarten, dass Übergänge in Atomkernen noch besser von Störungen durch die Umgebung abgeschirmt sind, als die gegenwärtig benutzten Übergänge in der Elektronenhülle. Bereits 2003 wurde von uns das Konzept einer optischen Kernuhr vorgeschlagen, das auf einem Kernübergang von 229Th im vakuumultravioletten Spektralbereich basiert, und das heute von mehreren Gruppen weltweit experimentell untersucht wird.

Die hohe Genauigkeit der optischen Uhren ermöglich neue Anwendungen in der Grundlagenforschung, insbesondere in der Überprüfung von Postulaten und Vorhersagen der Relativitätstheorie und bei der Suche nach „Neuer Physik“, die Hinweise auf ein vereinigtes  Modell  der fundamentalen Kräfte vom Quantenbereich bis hin zur Kosmologie liefern könnte.

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Forschung/Entwicklung

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Dienstleistungen

 

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Informationen

Die Arbeitsgruppe ist in mehreren nationalen und internationalen Kooperationen aktiv. Im Rahmen des  von der EU geförderten Programms EMRP wurde hier das  Forschungsprojekt "High-Accuracy Optical Clocks with Trapped Ions" koordiniert. Zur Zeit wird das Projekt „International Timescales with Optical Clocks“ bearbeitet. Die EMPIR Projekte “Optical Clocks with 1E-18 Uncertainty” und “Optical Frequency Transfer - a European Network” nehmen 2016 ihre Arbeit auf. Zur optischen Kernuhr mit Th-229 arbeiten wir im Europäischen Projekt nuClock mit Gruppen aus Kernphysik und Quantenoptik zusammen.  

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