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Sekunde: Optische Atomuhren

Optische Atomuhren sind die nächste Generation von Atomuhren. Sie befinden sich momentan noch im Entwicklungsstadium. Bei heutigen Atomuhren liegt die Taktfrequenz im Mikrowellenbereich, und üblicherweise werden Cäsium-Atome als Referenz verwendet. Bei optischen Atomuhren ist die Taktfrequenz mehr als 10 000-fach höher (100 THz - 1000 THz) und liegt damit im optischen Spektralbereich. Dadurch ermöglichen sie eine etwa 100-fach höhere Genauigkeit, die nach deutlich kürzeren Mittelungszeiten erreicht werden kann. Es gibt unterschiedliche Varianten, mit unterschiedlichen Referenzatomen bzw. Referenzionen, die sich jeweils in der eingesetzten Technik unterscheiden und damit auch unterschiedliche Vor- und Nachteile haben. Bisher hat sich hier noch kein spezieller Typ durchgesetzt. Doch der Wettlauf um die beste Uhr der Zukunft hat längst begonnen. In der PTB werden gleich mehrere mögliche Varianten in unterschiedlichen Arbeitsgruppen untersucht.

Nachrichten

Uhrenvergleiche zwischen Atomuhren mit Caesium und Ytterbium bestätigen die Konstanz einer Naturkonstante: des Massenverhältnisses von Proton und Elektron. (Abb.: PTB)

Sind Naturkonstanten wirklich konstant? Neue Untersuchungen in der PTB zeigen: Eine wichtige Naturkonstante, nämlich das Massenverhältnis von Proton zu Elektron, kann sich selbst über das Alter unseres Sonnensystems von etwa 5 Milliarden Jahren hochgerechnet nur maximal um einen millionstel Teil verändert haben. Bisher galt die allenfalls noch mögliche Änderung als doppelt so hoch. PTB-Physiker...

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Schema des Satellitenvergleichs der optischen Strontium-Gitteruhren der PTB in Braunschweig und des NICT in Tokio. Die Pfeile repräsentieren den Up- (rot) und Down-Link des Zweiwegverfahrens, das Störungen sehr gut unterdrückt.

Interkontinentale Vergleiche von Atomuhren sind derzeit nur mithilfe von Satelliten möglich. Das bei den verwendeten Methoden vorhandene Messrauschen bestimmt dabei die erforderliche Messzeit. Für den Vergleich der optischen Strontium-Gitteruhren der PTB und des japanischen Institute of Information and Communications Technology (NICT) in Tokio wurde jetzt eine neue, vom NICT entwickelte Methode...

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In einem internationalen Kooperationsprojekt ist eine metrologische Glasfaserverbindung zwischen dem SYRTE in Paris und der PTB in Braunschweig im Aufbau, die im Treffpunkt Straßburg zusammen geführt wird. Damit wird es zukünftig möglich, die höchstpräzisen optischen Uhren der beiden Staatsinstitute zu vergleichen. Jüngst wurde das letzte Teilstück der Glasfaser zwischen Braunschweig und Straßburg...

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In Zusammenarbeit mit dem wissenschaftlichen Gerätebau der PTB wird ein Prozess entwickelt, um hochgenaue, skalierbare Ionenfallen für Multi-Ionen Uhren auf der Basis von goldbeschichteten AlN-Keramik Substraten herzustellen. Erste laserstrukturierte und beschichtete Test-Chips wurden erfolgreich zu einer Fallenstruktur zusammengesetzt und kontaktiert. Diese befindet sich nun im Testbetrieb am...

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Am QUEST-Institut an der PTB wurde ein Aufbau zur ortsaufgelösten Seitenbandspektroskopie an Coulomb-Kristallen entwickelt. Die zunächst mit einem einzelnen Ion durchgeführten Tests erlaubten die gleichzeitige Messung von Temperaturen mehrerer Moden im Bereich einiger Millikelvin. Mittels Grundzustandskühlen der radialen Moden konnte gezeigt werden, dass die Heizraten im derzeit verwendeten...

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Beteiligte Arbeitsgruppen der PTB

Optische Strontium-Atomuhren

In einer optischen Strontium-Atomuhr wird ein Übergang zwischen zwei Energieniveaus im Strontium-Atom als Referenz verwendet. Dazu werden Strontium-Atome im Interferenzmuster zweier Laserstrahlen festgehalten. Entsprechend dem Streifenmuster der Interferenz sind sie dadurch Gitter-artig angeordnet. Deshalb werden optische Atomuhren dieser Art auch als Strontium-Gitteruhren bezeichnet. Mit der höheren Genauigkeit werden auch neue Anwendungsfelder zugänglich. So wird auch eine transportable Strontium-Atomuhr entwickelt, die z.B. für geodätische Untersuchungen eingesetzt werden kann.

Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 4.32: Optische Gitteruhren

Frequenzübertragung mit Glasfasern

Für den Vergleich optischer Atomuhren über weite Distanzen müssen deren Signale an Orte außerhalb des Ursprungslabors übertragen werden. Das Netzwerk optischer Telekommunikationsfasern bietet für eine solche Frequenzverteilung einzigartige Voraussetzungen. Mit Hilfe von Glasfaserverbindungen ist in den vergangenen Jahren eine Frequenzverteilung mit Genauigkeiten demonstriert worden, die alle herkömmlichen Methoden in den Schatten stellt und es ermöglicht, auch die neueste Generation von Atomuhren ohne Verfälschungen durch die Verbindung vergleichen zu können. Neben der weiteren Verbesserung dieser Glasfaserverbindungen befasst sich die Arbeitsgruppe "Frequenzübertragung mit Glasfasern" mit der Ausnutzung der Technologie für z.B. geodätische Untersuchungen.

Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 4.34: Frequenzübertragung mit Glasfasern

Optische Ytterbium-Ionenuhren

Eine optische Ytterbium-Ionenuhr basiert auf einem einzelnen Ion, das im elektrischen Feld einer Paulfalle gefangen ist. Als Referenz dient ein Übergang zwischen zwei Energieniveaus des Ytterbium-Ions. Damit die Übergangsfrequenz nicht durch das elektrische Feld der Falle gestört wird, ist diese gerade so konzipiert, dass im Zentrum der Falle das elektrische Feld gleich null ist. Genau dort befindet sich das Ion.

Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 4.43: Optische Uhren mit gespeicherten Ionen

Optische Aluminium-Ionenuhren

Bei optischen Aluminium-Ionenuhren wird ein Übergang zwischen zwei Energieniveaus eines Aluminium-Ions als Referenz verwendet. Das Aluminium Ionen wird dazu im elektrischen Feld einer linearen Paulfalle gehalten. Zum Auslesen der Übergangsfrequenz wird ein zweites Ion verwendet, das in der gleichen Falle gefangen ist. Mittels sogenannter Quantenlogik-Spektroskopie kann die Übergangsfrequenz hochgenau ausgelesen werden.

 

Opens internal link in current windowQUEST-Institut: Quantum Logic Spectroscopy

Optische Multi-Ionenuhren

Während bei Atomuhren basierend auf neutralen Atomen stets über viele Atome gemittelt wird, steht in Ionenuhren üblicherweise lediglich ein einzelnes Ion zur Verfügung. Deshalb ist eine längere Mittelungszeit erforderlich. Demgegenüber haben sie allerdings den Vorteil, dass sie weniger anfällig für Störungen von außen sind. In der optischen Multi-Ionenuhr sollen beide Vorteile kombiniert werden, indem mehrere Ionen in der gleichen linearen Paul-Falle gehalten werden. Als Referenz dient ein Übergang zwischen zwei Energieniveaus des Indium-Ions.

Opens internal link in current windowQUEST-Institut: Multi-Ion Clocks