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Aktuelle Forschungsnachrichten und Nachrichten aus dem Jahresbericht

Eine Arbeitsgruppe des Consultative Committee for Time and Frequency (CCTF) hat unter Mitwirkung der PTB einen Plan für eine zukünftige Neudefinition der Sekunde erarbeitet, der auf den Fortschritten bei optischen Atomuhren basiert. Die erreichten Fortschritte und noch notwendigen Verbesserungen werden diskutiert, um die heute mit Cäsium-Atomuhren erreichte Qualität von Frequenzmessungen und Zeitskalen langfristig zu sichern und zu verbessern. Als möglicher Zeitpunkt für eine Neudefinition wird 2030 gesehen.

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PTB and NIST performed a comparison for high accuracy continuous wave optical power measurements in the kilowatt regime. The NIST carried out measurements with a power meter relying on photon momentum, while PTB performed the measurements with a modified off-the-shelf thermal power meter. The non-absorbing photon momentum measurement approach permits the two power meters to measure the same laser beam optical path simultaneously, resulting in a direct comparison of the meters supported by an optical system to accommodate differences in instrument settling times. The results show agreement within the expanded uncertainties for each instrument. NIST and PTB illustrate a degree of equivalence of 0.49% with an expanded uncertainty of 1.37% (k = 2) for an average result across all power levels.

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Single photon emitters in hexagonal boron nitride have gathered a lot of attention due
to their favourable emission properties and the manifold of possible applications. Despite
extensive scientic effort, the exact atomic origin of these emitters has remained unkown
thus far. Recently, several studies have tied the emission in the yellow spectral region
to carbon-related defects, but the exact atomic structure of the defects remains elusive.
In this study, photoluminescence emission and excitation spectroscopy is performed on a
large number of emitters within this region. By comparison of the experimental data with
theoretical predictions, the origin of yellow single photon emission in hexagonal boron nitride is determined. Knowledge of this atomic structure and its optical properties is crucial for the reliable implementation of these emitters in quantum technologies.

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Mithilfe von kurzwelliger und energiereicher UVC-Strahlung werden schon seit Jahrzehnten Oberflächen, Trinkwasser oder Raumluft desinfiziert. Dabei nutzt man aus, dass diese Strahlung Zellen schädigen kann – insbesondere diejenigen von Viren, Bakterien oder anderen Mikroorganismen. Allerdings kann sie auch Zellen in menschlichen Organen wie Haut und Auge schädigen. Die radiometrische Kalibrierung im Bereich der UV-Strahlung bei hohen Bestrahlungsstärken ist eine der Aufgaben im Fachbereich Photometrie und Spektroradiometrie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Das Hauptaugenmerk richtet sich dabei immer mehr auf sehr kurzwellige UVC-Strahlung. Verstärkt durch die Corona-Epidemie wird aktuell diskutiert, ob sogenannte Fern-UVC-Strahlung zwischen 200 nm und 240 nm, die nahezu nicht in Haut und Auge eindringt, auch offen strahlend und im öffentlichen Raum eingesetzt werden könnte. Allerdings lässt sich das Risiko für die Allgemeinbevölkerung noch nicht ausreichend abschätzen. Peter Sperfeld, Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Spektroradiometrie in der PTB, hat als UV-Experte an einer Empfehlung der Strahlenschutzkommission der Bundesregierung mitgewirkt und unterstützt die Feststellung, dass die bisherigen Erkenntnisse noch nicht ausreichen, um einen Einsatz von Fern-UVC-Strahlung zur Desinfektion in Anwesenheit von Menschen zu befürworten.

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In Zusammenarbeit mit dem DLR Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik in Hannover wurde eine neuartige achromatische, planare Spiegelstruktur für die Laserkühlung von Atomen in einer magneto-optischen Falle entwickelt. Der Aufbau erzeugt alle zur Kühlung notwendigen Laserstrahlen aus einem einzigen Strahl. Da die Struktur nicht dispersiv ist, eignet sie sich auch zur Kühlung mit mehreren Wellenlängen, wie es bei Erdalkali-ähnlichen Atomen notwendig ist. Durch ihre Konstruktion vermeidet der Reflektor viele der Probleme, die bei der Mehrfarbenkühlung mit planaren Strukturen auf der Grundlage von Beugungsgittern auftreten, die bisher die vorherrschenden ebenen Strukturen für die Laserkühlung neutraler Atome waren. Die neue Reflektorstruktur ist ein vielseitiges, einfach herzustellendes Bauteil, das eine achromatische Strahlführung mit den Vorteilen einer planaren Architektur mit gutem optischen Zugang kombiniert.

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A quantum key distribution (QKD) system was installed between PTB in Braunschweig and LUH in Hannover as part of PTB's work to establish a quantum communication testbed between these two locations (the so-called "Niedersachsen Quantum Link"). The system was developed by Quantum Optics Jena first tested and characterized at PTB campus. Currently, it is operational between LUH (“Alice”) and PTB (“Bob”) and distributing secure quantum encrypted keys.

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In einer mehrmonatigen Vergleichskampagne wurden die Frequenzen der Primären Caesium-Fontänenuhren der PTB, CSF1 und CSF2, mit der Frequenz der Fontänenuhr FCs2 des National Research Council Canada (NRC) verglichen. Dazu wurde ein spezielles GPS-Verfahren, Precise Point Positioning with carrier-phase integer Ambiguity Resolution (PPP-AR), verwendet, das gegenüber herkömmlichen GPS-Vergleichsverfahren ein deutlich reduziertes Rauschen aufweist. Die Frequenzinstabilität dieses Verfahrens ermöglicht es, bei Mittelungszeiten von einem bzw. sieben Tagen statistische Unsicherheiten von 7×10-16 bzw. 1×10-16 (Allan-Standardabweichung) und bei Mittelungszeiten von 20 bis 30 Tagen den mittleren bis niedrigen 10-17-Bereich zu erreichen. Der Vergleich der Fontänenuhren erfolgte über insgesamt 135 Tage parallel über PPP-AR und das herkömmliche GPS-PPP Verfahren, das im Bereich von 1×10-16 limitierend ist. Im Ergebnis stimmen die Frequenzen der drei Fontänenuhren im Rahmen der Unsicherheiten auf wenige 10-16 überein, wobei die gemessenen Frequenzdifferenzen deutlich unter der kombinierten systematischen Unsicherheit liegen. Bei Verwendung des PPP-AR Verfahrens wurden zudem Gesamtunsicherheiten der Vergleiche erreicht, die – auch bedingt durch die lange Messdauer und die niedrigen systematischen Unsicherheiten der drei beteiligten Fontänenuhren – bislang erzielte Unsicherheiten bei Fernvergleichen von Fontänenuhren unterbieten.

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