(Hoch-)Schule

In der Arbeitsgruppe von Prof. C. Ospelkaus (QUEST Institut an der PTB und LUH) wurden ein neues feldunabhängiges Zustandspaar von ⁹Be⁺-Ionen demonstriert, welches sich besonders als langlebiges Qubit für die Mikrowellen-Quantenlogik mit gespeicherten Ionen eignet. Weiterhin wurde das Mikrowellenfeld eines zur Manipulation der Ionen in die Fallenstruktur integrierten Wellenleiters vermessen und mit numerischen Simulationen verglichen. Schließlich gelang es, mit Hilfe des Wellenleiters Bewegungs-Seitenbandübergänge für einzelne Ionen als wesentliche Voraussetzung für verschränkende Operationen mit mehreren Qubits zu zeigen.

Mit Hilfe hochauflösender Spektren in ultrakalten Calcium-Molekülen wurden in der PTB die Wechselwirkungspotentiale zwischen Calciumatomen genau bestimmt. In einer Kooperation mit Prof. Tiemann, Leibniz Universität Hannover, konnte daraus der nichtlinearen Zeeman-Effekt in diesen schwach gebundenen Systemen modelliert werden und dieser Einfluss bei früheren Messungen korrigiert werden.

Das "Space Optical Clocks 2"-Projekt (SOC2) ist ein von der EU gefördertes Projekt, das von der Heinrich Heine Universität Düsseldorf (HHUD) koordiniert wird und jetzt in der Endphase an der PTB evaluiert wird. Mit technologischen Beiträgen von 16 Kooperationspartnern aus Europa, zielt das Projekt darauf ab eine transportable optische Strontiumgitteruhr als Prototyp für eine Mission an Bord der Internationalen Raumstation ISS zu entwickeln. Langfristig soll eine Genauigkeit erzielt werden, die eine Größenordnung über der für die zukünftige ACES-Mission genutzten Mikrowellenuhr liegt.

Besonders bei Frequenzmessungen werden verrauschte, zeitlich korrelierte Messdaten gemittelt, um eine möglichst geringe Unsicherheit zu erreichen. Es wurde untersucht, welche Gewichtung der Daten unter gegebenen typischen Rauschbedingungen die jeweils geringste Unsicherheit des gewichteten Frequenzmittelwerts liefert und wie diese Unsicherheit aus der Instabilität der Daten bestimmt werden kann. 

Optische Gitteruhren erlauben es, extrem frequenzstabile Laserstrahlung zu erzeugen. Die Stabilität wird durch fundamentale und technische Rauschprozesse begrenzt. Deren genaue Analyse ergab, dass die Strontium-Gitteruhr eine ausgezeichnete Instabilität von 1,6×10^-16/(τ/s)^1/2 erreicht, so dass Messungen mit einer relativen Auflösung von 10^-17 in wenigen 100 s möglich werden.

Ein Lasersystem wurde entwickelt, das zur Abfrage der Strontiumgitteruhr der PTB eingesetzt wird. Es nutzt einen 48 cm langen Glasresonator, bei dem die Frequenzstabilität des Lichtes durch dessen Längenstabilität bestimmt wird. Durch die hohe Länge kann der Einfluss der Brownschen Fluktuationen - des sogenannten thermischen Rauschens - der Spiegel reduziert werden. Somit werden Längen- und damit Frequenzstabilitäten erreicht, welche ansonsten nur mit aufwendigen bei kryogenen Temperaturen betriebenen kristallinen Resonatoren möglich sind. Mit dem neuen ultrastabilen Lasersystem wurde in der PTB eine minimale Instabilität von σ_y = 8⋅10^-17 erreicht, was weltweit eine Spitzenstellung darstellt.

Für Untersuchungen der Phasenstabilität des Mikrowellen-Abfragesignals der Fontänenuhren CSF1 und CSF2 wurde ein Phasentransientenanalysator entwickelt. Mit diesem kann ausgeschlossen werden, dass durch periodisch auftretende Phasenfluktuationen relative Frequenzverschiebungen von mehr als 3x10^-17 verursacht werden. Der Analysator kann auch für Untersuchungen an optischen Uhren eingesetzt werden.

Bei Fontänenuhren führt eine erhöhte Frequenzstabilität zu kleineren Unsicherheiten bei Messungen für die Steuerung der internationalen Atomzeit und der gesetzlichen Zeit in Deutschland sowie bei Vergleichen mit optischen Uhren. Durch neue Lademethoden wurde die Zahl der Caesium- Atome in der Fontänenuhr CSF2 soweit erhöht, so dass nun eine relative Messauflösung von 3x10^-16 innerhalb eines Tages erreicht wird.

Am QUEST Institut an der PTB wurde ein langzeit-stabiler Laser bei 441 nm, basierend auf einem frequenzverdoppelten Ti:Sa-Laser für die Spektroskopie an Ar¹³⁺ Ionen aufgebaut. Mittels eines Transfer-Resonators wurde die Stabilität eines Rubidium-stabilisierten Lasers auf den Ti:Sa Laser übertragen und damit die Schwankungen der Absolutfrequenz über mehrere Tage auf weniger als 100 kHz reduziert.

Im Zuge der Entwicklung eines auf Aluminium basierenden Frequenznormals wurde eine neue Methode zur schnellen Phasenstabilisierung von freilaufenden Diodenlasern unterschiedlicher Wellenlängen auf eine ultrastabile optische Referenz mittels eines Frequenzkamms realisiert. Durch Subtraktion des Eigenrauschens des Frequenzkamms konnte das Phasenrauschen des so stabilisierten Diodenlasers bis zu einer Bandbreite von 180 kHz unterdrückt werden, ohne dass dieser durch einen optischen Resonator vorstabilisiert war.