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Neue Kühltechnik für die Aluminium-Uhr

08.01.2015

Die größte systematische Unsicherheit in Aluminium-Ionenuhren ist die relativistische Zeitdilatation aufgrund der Restbewegung des Ions in der Falle. Forscher am QUEST-Institut an der PTB haben eine neue Kühltechnik demonstriert, die es erlaubt signifikant schneller als herkömmliche Kühltechniken in den Bewegungsgrundzustand zu kühlen. Diese neue Technik wird es ermöglichen den größten Beitrag im Unsicherheitsbudget der Aluminium-Uhr signifikant zu reduzieren. 

Die meisten atomaren Übergänge von Frequenzstandards werden durch die Schwarzkörperstrahlung beeinflusst. Aluminium-Ionen besitzen einen gegenüber der thermischen Hintergrundstrahlung außergewöhnlich unempfindlichen optischen Übergang, wodurch auf Aluminium basierende optischen Frequenzstandards eine ausgezeichnete Genauigkeit aufweisen. Die Unsicherheit von Aluminium-Ionen Standards  ist deshalb nicht durch die Schwarzkörperstrahlung, sondern durch einen Effekt der speziellen Relativität limitiert. Hierbei handelt es sich um die Zeitdilatation aufgrund der Bewegung der Ionen in der Falle. Diese Zeitdilatation ist in derselben Größenordnung, wie sie auch von einem spazieren gehenden Menschen erfahren wird und muss durch Kühlung der thermischen Bewegung unterdrückt werden.

Bei dem Herunterkühlen gefangener Ionen in ihren Bewegungsgrundzustand  handelt es sich um eine etablierte Vorgehensweise. Die Standardtechnik hierfür, genannt Seitebandkühlen, ist allerdings langsam und würde im Betrieb der Uhr zu einer inakzeptabel langen Totzeit führen. Vor einem Jahrzehnt wurde unter dem Namen Doppel-EIT-Kühlen [1] eine schnellere Kühltechnik theoretisch vorgeschlagen, die allerdings technisch äußerst anspruchsvoll ist: Sie setzt Laser verschiedener Wellenlängen voraus, die ihre Relativfrequenz auch auf Mikrosekundenzeitskalen beibehalten. Durch Weiterentwickling der Transferoszillatortechnik, die vor dreizehn Jahre an der PTB veröffentlicht wurde [2], von der Sekunden- auf die Mikrosekundenzeitskala, konnten Forscher am QUEST Institut für experimentelle Quantenmetrologie erstmals die Doppel-EIT Kühltechnik experimentell demonstrieren. Erste Versuche zeigen, dass diese neue Technik eine Größenordnung schneller als das herkömmliche Seitenbandkühlen ist. Damit ist die Technik schnell genug, um beim Aluminiumstandard, welcher am QUEST Institut entwickelt wird, alle Bewegungsmoden des Ions in den Quantengrundzustand herunter zu kühlen und damit den größten Beitrag zum Unsicherheitsbudget zu eliminieren.

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Erste Demonstration von Doppel-EIT-Kühlen. Vor dem Kühlen hat ein einzelnes Calcium Ion eine Temperatur von ~500 µK. Nach 50 µs Doppel-EIT-Kühlen (blaue Line and Datenpunkte) befindet es sich im Bewegungsgrundzustand. Zum Vergleich ist in rot die typische Entwicklung bei Seitenbandkühlen dargestellt. Die gestrichelte Linie stellt das schnellste, in unserem Experiment demonstrierte Seitenbandkühlen dar und die gepunktete Linie das bislang schnellste, jemals für Calcium demonstrierte Seitenbandkühlen.


Literatur:

[1]        J. Evers und C.H. Keitel, Double-EIT ground-state laser cooling without blue-sideband heating, Europhys. Lett. 68, 370 (2004)

[2]        J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. Telle, Ultraprecise Measurement of Optical Frequency Ratios, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002)