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Schwarzkörperstrahlung im Yb+-Oktupol-Frequenznormal

08.01.2015

Im Fachbereich Zeit und Frequenz wird ein optisches Frequenznormal entwickelt, das auf der Anregung des 2S1/2(F=0) – 2F7/2(F=3) - Oktupolübergangs in einem gespeicherten 171Yb+-Ion beruht [1,2]. Der dominierende systematische Unsicherheitsbeitrag ist hier die Frequenzverschiebung durch den quadratischen Stark-Effekt, die sich durch die thermische Strahlung der Umgebung ergibt. Mit einer Messung der statischen atomaren Polarisierbarkeit und der Abschätzung der effektiven Temperatur des auf das Ion wirkenden Strahlungsfeldes konnte bisher die relative Frequenzverschiebung durch Schwarz­körperstrahlung nur recht unsicher als ∆f/f = -105(50)·10-18 angegeben werden [1].

Zur besseren Evaluation der Schwarzkörper-Verschiebung wurden im Rahmen einer EMRP-Kooperation mit einer Arbeitsgruppe am CMI (Prag) experimentelle und numerische Simulationen durchgeführt, um die Aufheizung der Komponenten des Ionenfallenaufbaus durch dielektrische und ohmsche Verluste und den resultierenden Strahlungsbeitrag zu bestimmen (siehe Abbildung). Parallel dazu wurde die differentielle atomare Polarisierbarkeit des Yb+-Referenzübergangs spektroskopisch mit einer Relativunsicherheit von weniger als 5% mit Laserstrahlung bei 4 Wellenlängen im Nahinfrarotbereich bestimmt. Aufgrund der günstigen Energieniveau-Struktur von Yb+ lässt sich daraus praktisch ohne Genauigkeitsverlust die Polarisierbarkeit im Spektralbereich der Schwarzkörperstrahlung extrapolieren. 

Das Ergebnis dieser Untersuchungen ist, dass die Frequenzverschiebung des Yb+-Referenzübergangs durch Schwarzkörperstrahlung bei einer Temperatur von 298 K
f/f = -70.3(1.6) ·10-18 beträgt. Hierbei kann der Unsicherheitsbeitrag durch Heizeffekte im gegenwärtig verwendeten Fallenaufbau mit ∆f/f = 1·10-18 abgeschätzt werden. Damit ergibt sich eine relative systematische Gesamtunsicherheit des Yb+-Oktupol-Frequenznormals von 3.3·10-18. Im Vergleich mit anderen optischen Frequenznormalen auf der Basis von gespeicherten Ionen oder Neutralatomen in optischen Gittern ist dies gegenwärtig die niedrigste abgeschätzte systematische Unsicherheit.

Beispiel für eine Simulation (am CMI durchgeführte Finite-Elemente-Rechnung) der Oberflächentemperaturen in einem Fallenaufbau, der näherungsweise der in unseren Experimenten verwendeten Ionenfalle entspricht. Man erkennt eine Aufheizung der Elektroden der Ionenfalle (oben links) um ca. 3 K, verursacht durch dielektrische Verluste in keramischen Isolationselementen. Angenommen wurde hier eine Fallen-Antriebsspannung mit 600 V Amplitude und einer Frequenz von 15 MHz.


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).