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Messung der Stabilität des Ytterbiumion-Oktupol-Frequenznormals

05.02.2014

Der S-F-Oktupolübergang im Ytterbiumion (Yb+) liegt im optischen Spektralbereich nahe 642 THz und bietet günstige Bedingungen für die Realisierung eines hochgenauen Frequenznormals. Durch die hohe Multipolordnung (E3) des Übergangs ergibt sich eine sehr kleine natürliche Linienbreite, so dass die bei der Anregung erreichbare spektrale Auflösung praktisch nur von der Linienbreite des Abfragelasers bestimmt wird. Die Frequenzverschiebungen durch statische externe Felder und Schwarzkörperstrahlung sind wesentlich kleiner als bei Ionen-Frequenznormalen, die elektrische Quadrupolübergänge nutzen [1]. Die Verschiebung der Übergangsfrequenz durch die zur Anregung benötigte hohe optische Leistungsdichte kann mit einem speziellen Drei-Puls-Anregungsschema vermieden werden [2].        

In einem Experiment, das zusammen mit einer Arbeitsgruppe im Fachbereich "Längeneinheit und Quantenoptik" durchgeführt wurde, haben wir die Stabilität des in der PTB entwickelten Einzelionen-Normals auf der Basis des Oktupolübergangs in 171Yb+ bis zu einer Mittelungszeit von 168 000 s bestimmt. Dabei wurde das Yb+-Normal unter Bedingungen betrieben, die nach unserer gegenwärtigen Abschätzung eine systematische relative Unsicherheit von etwa 1·10-17 ermöglichen. Als Stabilitätsreferenz wurde das im Fachbereich "Längeneinheit und Quantenoptik" entwickelte optische Frequenznormal auf der Basis von 87Sr eingesetzt [3], das wegen der großen Zahl der zum Resonanzsignal beitragenden Atome deutlich stabiler ist als das Yb+-Normal. Die beiden Normale sind durch zwei ca. 300 m lange weglängenstabilisierte Glasfaserstrecken verbunden, die in unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeiten (344 THz und 193 THz). Durch den Parallelbetrieb der beiden Übertragungsstrecken konnte verifiziert werden, dass der Vergleich der Normale nicht durch die Instabilität der Übertragung beeinträchtigt wird. Die phasenkohärente Konversion der optischen Frequenzen erfolgt mit Faserlaser-Frequenzkammgeneratoren.

Der untere Graph der Abbildung zeigt die Instabilität des Frequenzverhältnisses von Yb+- und Sr-Normal. Die gemessene relative Allan-Standardabweichung σy(τ) ~5·10-15 (τ/s)-1/2 wird für τ ≥ 100 s praktisch allein vom Quantenprojektionsrauschen des Resonanzsignals des Yb+-Normals bestimmt. Für τ < 100 s dominiert das 1/f-Frequenzrauschen des Abfragelasers. [Abbildung hier] Die statistische Unsicherheit dieser Frequenzverhältnismessung liegt bei 2·10-17, sie ist also nur etwas größer als die erwartete systematische Unsicherheit. Der obere Graph der Abbildung zeigt zum Vergleich die wesentlich größere Instabilität einer Frequenzmessung des Yb+-Normals mit der PTB-Cäsiumfontäne CSF1. Hier wird die Stabilität praktisch allein von der Cäsiumreferenz bestimmt.

Nach Abschluss der laufenden Untersuchungen zur genaueren Messung systematischer Frequenzverschiebungen soll das Frequenzverhältnis der Yb+- und Sr-Referenzübergänge mit einer Unsicherheit unter 5·10-17 bestimmt werden.

Die Datenpunkte zeigen die gemessene relative Allan-Abweichung σy(τ) als Funktion der Mittelungszeit τ bei einer Messung des 171Yb+-Oktupol (E3)-Frequenznormals mit der Cäsiumfontäne CSF1 (oben) und bei einer Messung des optischen Frequenzverhältnisses zwischen 171Yb+- und 87Sr-Normal (unten). Die gestrichelten Linien veranschaulichen die für grosse Mittelungszeiten erwartete τ-1/2-Abhängigkeit. uA bezeichnet die relative statistische Unsicherheit, mit der das Frequenzverhältnis in der jeweils angegebenen Gesamtmesszeit t bestimmt wurde.


Literatur:

[1]       N. Huntemann, M. Okhapkin, B. Lipphardt, S. Weyers, Chr. Tamm, E. Peik,  High-Accuracy Optical Clock Based on the Octupole Transition in 171Yb+, Phys. Rev. Lett. 108, 090801 (2012).

[2]        N. Huntemann, B. Lipphardt, M. Okhapkin, Chr. Tamm, E. Peik, A.V. Taichenachev, V.I. Yudin,  Generalized Ramsey Excitation Scheme with Suppressed Light Shift,  Phys. Rev. Lett. 109, 213002 (2012).

[3]        St. Falke, H. Schnatz, J.S.R. Vellore Winfred, Th. Middelmann, St. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, Ch. Lisdat, The 87Sr Optical Frequency Standard at PTB, Metrologia 48, 399 (2011).