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.
Optische Atomuhren sind die genauesten je gebauten Messgeräte und inzwischen zu einer Schlüsseltechnik in der Grundlagen- und der angewandten Forschung geworden, etwa zum Test der Konstanz von Naturkonstanten oder für Höhenmessungen in der Geodäsie. Am QUEST-Institut in der PTB wurde in einer Kooperation und im Rahmen des Exzellenzclusters QuantumFrontiers zum ersten Mal eine optische Atomuhr...
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Quantenuhren können so genau messen, dass sie in Geodäsie und Klimaforschung als empfindliche Sensoren dienen können, um die Oberfläche der Erde genauer zu vermessen oder die Erhöhung des Meeresspiegels aufgrund der Klimaerwärmung zu verstehen. Doch bislang sind diese Uhren sehr aufwendige wissenschaftliche Geräte, die von Atomuhrspezialistinnen und spezialisten betrieben werden müssen. Ein gerade...
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Optische Atomuhren sind die genauesten je gebauten Messgeräte und sind inzwischen zu einer Schlüsseltechnik in der Grundlagen- und der angewandten Forschung geworden, etwa zum Test der Konstanz von Naturkonstanten oder für Höhenmessungen in der Geodäsie. Jetzt haben Forschende des QUEST-Instituts in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für...
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Mit optischen Uhren lassen sich aufgrund ihrer höheren Referenzfrequenz noch genauere Messungen als mit herkömmlichen Atomuhren realisieren. Bislang konnten sie jedoch nur von Experten in Speziallaboren betrieben werden. Im Rahmen des industriegeführten Pilotprojekts für Quantentechnologien „Opticlock“ entstand ein Demonstrator einer optischen Uhr, der die Vorteile moderner Quantentechnologie in...
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Zwischen Deutschland, England und Frankreich existiert eine Art Autobahn für optische Frequenzen. Das Glasfasernetz dient bisher zum Vergleich von Frequenzen zwischen Metrologieinstituten, etwa aus optischen Atomuhren. Nun haben die Autoren einer Studie unter Beteiligung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), die in der aktuellen Ausgabe von Nature Communications erscheint, gezeigt, wie...
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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.
Arbeitsgruppe 4.32: Optische Gitteruhren
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.
Arbeitsgruppe 4.34: Frequenzübertragung mit Glasfasern
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.
Arbeitsgruppe 4.43: Optische Uhren mit gespeicherten Ionen
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.
QUEST-Institut: Quantum Logic Spectroscopy
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.
QUEST-Institut: Multi-Ion Clocks
