Logo of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Strontium-Gitteruhren der PTB und des japanischen NICT verglichen

08.01.2015

Als mögliche Nachfolger der Cäsium-Atomuhren werden in einer Reihe von Instituten weltweit Frequenznormale entwickelt, die statt eines Mikrowellenübergangs im Atom einen Übergang im sichtbaren Spektralbereich als Referenz verwenden. Auf diesen wird die Frequenz eines Lasers stabilisiert. Die im Vergleich mit der Mikrowellenstrahlung einige 10 000-fach höhere Schwingungsfrequenz der optischen Strahlung erlaubt es, deutlich höhere Genauigkeiten und kürzere Mittelungszeiten zu erreichen.

In der PTB wird unter anderem eine sogenannte Gitteruhr mit Strontium-Atomen entwickelt, die z.B. auch im japanischen Institute of Information and Communications Technology (NICT) in Tokio betrieben wird. Für die Bewertung der Zuverlässigkeit dieser optischen Frequenznormale ist es wichtig zu überprüfen, ob die Systeme verschiedener Institute die gleichen Frequenzen liefern. Für den Vergleich über interkontinentale Abstände stehen bisher nur satellitengestützte Methoden zur Verfügung, die allerdings lange Mittelungszeiten erfordern. Eine vom NICT entwickelte und mit der PTB getestete Methode zur Nutzung der Trägerphase in Zweiweg-Frequenzvergleichen über Satellit [1] wurde jetzt erstmals zum interkontinentalen Vergleich optischer Uhren genutzt. Beide Strontium-Gitteruhren stimmten im Rahmen der Gesamtunsicherheit von 1,6 ×10-15 überein [2], wobei die Unsicherheiten beider Gitteruhren bereits so gering war, dass die Gesamtunsicherheit hauptsächlich durch den Vergleich bestimmt wurde.

Gleichzeitig wurde die aus früheren Messungen genau bekannte Frequenz der Strontium-Gitteruhr [3] auf diesem Weg nach Japan weitergegeben, so dass nicht nur das Frequenzverhältnis beider optischer Uhren bestimmt wurde, sondern auch die tatsächliche Frequenz der Strontium-Gitteruhr des NICT jetzt mit einer um 40% reduzierten Unsicherheit angegeben werden kann.

Diese Messung bestätigt zusammenmit anderen Vergleichen die sehr gute Übereinstimmung von Strontium-Gitteruhren weltweit.

Schema des Satellitenvergleichs der optischen Strontium-Gitteruhren der PTB in Braunschweig und des NICT in Tokyo. Die Pfeile stellen den up- (rot) und down-link des Zweiwegverfahrens dar, das Störungen sehr gut unterdrückt.


Literatur:

[1]       Fujieda, M.; Piester, D.; Gotoh, T.; Becker, J.; Aida, M. & Bauch: A. Carrier-phase two-way satellite frequency transfer over a very long baseline; Metrologia 51, 253-262 (2014)

[2]       Hachisu, H.; Fujieda, M.; Nagano, S.; Gotoh, T.; Nogami, A.; Ido, T.; Falke, S.; Huntemann, N.; Grebing, C.; Lipphardt, B.; Lisdat, C. & Piester, D.: Direct comparison of optical lattice clocks with an intercontinental baseline of 9000 km; Optics Letters 39, 4072 (2014).

[3]       Falke, S.; Lemke, N.; Grebing, C.; Lipphardt, B.; Weyers, S.; Gerginov, V.; Huntemann, N.; Hagemann, C.; Al-Masoudi, A.; Häfner, S.; Vogt, S.; Sterr, U. & Lisdat: C. A strontium lattice clock with 3×10-17 inaccuracy and its frequency; New J. Phys. 16, 073023 (2014).