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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

Rauschbeiträge der Strontiumgitteruhr

Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben die Rauschprozesse in ihrer optischen Gitteruhr mit neutralen Strontiumatomen ausführlich analysiert. Diese Analyse belegt, dass ihre optische Atomuhr dank eines neuentwickelten, extrem frequenzstabilen Lasersystems die weltweit höchste Stabilität erreicht. Damit sind hochpräzise Messungen in kürzerer Zeit möglich und die zukünftige...

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Molekül-Spektrometrie

Die Wärme der Umgebung lässt nicht nur ganze Atome oder Moleküle zappeln, was man als Brown‘sche Molekularbewegung (oder Wärmebewegung) kennt, sondern die Wärmestrahlung verändert im Falle von polaren Molekülen auch den internen Zustand der Teilchen, genauer ihren Quantenzustand der Rotation. Ihn zu messen war bisher nur möglich, indem das Molekül zerstört wurde. Jetzt hat es weltweit erstmals...

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(a)	Konzeptioneller Aufbau des Experiments mit MgH<sup>+</sup>(orange) und Mg+ (grün) in einer linearen Ionen-falle. Der Ionenkristall wird über Mg<sup>+</sup> in den Grundzustand gekühlt. Eine oszillierende Dipolkraft ändert den Bewegungszustand abhängig vom Rotationszustand von MgH<sup>+</sup>. Dies wird über Mg<sup>+</sup> ausgelesen.
(b)	Typisches Detektionssignal, in dem ein Quantensprung in den (<em>J</em> = 1)-Rotationszustand (Sprung vom roten zum blauen Bereich) des Moleküls und aus ihm heraus (blau nach rot) zu sehen ist.

Am QUEST-Institut der PTB ist es erstmalig gelungen, den Quantenzustand von gefangenen und indirekt lasergekühlten Molekülionen nachzuweisen, ohne das Molekül oder seinen internen Zustand zu zerstören. Dadurch konnten von der thermischen Umgebungsstrahlung induzierte Quantensprünge in einem einzelnen Molekül direkt beobachtet und eine neue Form der Spektroskopie demonstriert werden. Die neue...

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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.

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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.

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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