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Systematische Frequenzverschiebungen in linearen Ionenketten im Bereich von wenigen 10−19 erreichbar

31.03.2020

Gefangene Ionen sind Grundlage einiger der derzeit genauesten optischen Atomuhren, da sie eine exzellente Kontrolle über systematische Frequenzverschiebungen bieten. Um praktischen Nutzen aus weiteren Verringerungen der Frequenzunsicherheit zu ziehen, muss die nächste Generation von Ionenuhren jedoch auch die benötigten Mittelungszeiten verringern. Forscher am QUEST-Institut der PTB konnten zeigen, dass der hierfür nötige Schritt von einem zu mehreren Uhrenionen keinen Widerspruch zu geringeren Frequenzunsicherheiten darstellt.

Visualisierung der simultan gemessenen Mikrobewegung in einem ca. 400 μm langen Kristall aus 14 gefangenen Ytterbium-Ionen. Mit einer neu entwickelten Präzisionsfalle konnte die resultierende Zeitdilatation auf Frequenzverschiebungen unter 10−19 reduziert werden.

Möglich wurde dies durch eigens an der PTB entwickelten Präzisions-Ionenfallen, in denen relative systematische Unsicherheiten von wenigen 10−19 erreicht werden können. Unter anderem wurde mit einem neuen zeit- und ortsaufgelösten Messverfahren die Bewegung der gespeicherten Ionen mit Nanometer-Auflösung vermessen und gezeigt, dass auch die durch Mikrobewegung induzierten Frequenzverschiebungen für alle Ionen im Sub-mHz-Bereich gehalten werden können. Die Ergebnisse öffnen den Weg für neuartige Ionenuhrenkonzepte wie den Einsatz von verschränkten Quantenzuständen und den gleichzeitigen Betrieb von mehreren Uhren auf einem Chip.