06.01.2013
Optische Uhren sind die Atomuhren der Zukunft. Sie haben das Potential, 100-fach genauer und 1000-fach stabiler als die besten Caesium Atomuhren zu sein. In einer optischen Uhr dient ein atomarer Übergang im sichtbaren Spektralbereich als Referenz, also mit einer Frequenz von etwa 500 THz. Im Gegensatz dazu arbeiten Caesium Atomuhren mit einer 50 000-fach geringeren Frequenz im Mikrowellenbereich.
Momentan werden verschiedene Typen optischer Uhren erforscht. In optischen Gitteruhren werden die Referenzatome im Interferenzmuster zweier fokussierter Laserstrahlen – dem optischen Gitter – gehalten, damit sie sich während der Spektroskopie um weniger als den Bruchteil einer Wellenlänge bewegen und keine Dopplerverschiebungen auftreten. Strontium-Gitteruhren sind die weltweit am besten erforschten optischen Uhren und sind bereits hinsichtlich Stabilität und systematischer Genauigkeit den besten Caesium Atomuhren [1] überlegen.
Die erreichbare Genauigkeit war bislang u.a. durch den Einfluss der Schwarzkörperstrahlung auf die Strontiumatome limitiert, die von der umgebenden Vakuumapparatur emittiert wird. Um diese Störung korrigieren zu können, wurden diese Referenzatome mit einem bewegten Gitter [2] in einen Plattenkondensator hinein verschoben (siehe Abbildung 1). Mit diesem wird die Differenz der statischen Polarisierbarkeit der beiden Uhrenzustände vermessen, die Rückschlüsse auf die Abhängigkeit der Uhrenfrequenz von der niederfrequenten Schwarzkörperstrahlung, ermöglicht [3,4]. Für eine aussagekräftige Messung muss das angelegte elektrische Feld mit sub-Promille-Genauigkeit bekannt sein. Damit dies möglich ist, darf der Plattenabstand von 5 mm nur um wenige 100 nm über eine Länge von 7 cm variieren. Durch Spektroskopie der Atome im Kondensator wurde die Antwort der Uhrenfrequenz auf das statistische elektrische Feld des Kondensators ermittelt (siehe Abbildung 2).
Mittels weitergehender Analysen verschiedener vermessener atomarer Parameter ist die Temperaturkorrektur aller Strontium Gitteruhren der Welt nur noch durch die Messung der Umgebungstemperatur limitiert [4]. Im aktuellen Aufbau kann nun der Einfluss der Schwarzkörperstrahlung auf dem Niveau von 10-17 korrigiert werden.
Präzisionskondensator, bestehend aus zwei Zerodurplatten, beschichtet mit einer semitransparenten Goldschicht. Als Größenvergleich dient eine Münze.
Frequenzverschiebung als Funktion der angelegten Spannung – und damit der elektrischen Feldstärke – sowie die Residuen einer parabolischen Fitkurve.
Literatur:
[1] S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, C. Lisdat, The 87Sr optical frequency standard at PTB, Metrologia 48, 399 (2011)
[2] T. Middelmann, S. Falke, C. Lisdat, U. Sterr, Long-range transport of ultracold atoms in a far-detuned one-dimensional optical lattice, New J. Phys. 14, 073020 (2012)
[3] T. Middelmann, C. Lisdat, S. Falke, J. S. R. Vellore Winfred, F. Riehle, U. Sterr, Tackling the Blackbody Shift in a Strontium Optical Lattice Clock, IEEE Trans. Instrum. Meas. 60, 2550 (2011)
[4] T. Middelmann, S. Falke, C. Lisdat, U. Sterr, High accuracy correction of blackbody radiation shift in an optical lattice clock, arXiv:1208.2848 (2012)