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Der Einfluss von Majorana-Übergängen bei der Caesium-Fontäne CSF1

31.12.2005

Ende 2004 traten bei der Caesium-Fontäne CSF1 der PTB relative Frequenzschwankungen von mehreren 10-14 auf einer Zeitskala von Stunden auf. Die sich bis Mitte 2005 anschließenden Untersuchungen haben ergeben, dass die Ursache Majorana-Übergänge waren, die zeitlich gesehen nach der Ramsey-Wechselwirkung stattfanden. Diese Übergänge ereignen sich zwischen magnetischen Unterzuständen eines Hyperfeinstruktur-Grundzustandes, wenn das die Quantisierungsachse definierende, entlang der Flugbahn der Atome angelegte Magnetfeld eine Richtungsumkehr, d. h. eine Nullstelle aufweist. Beim Aufbau von CSF1 waren solche Nullstellen sorgfältig vermieden worden. Notwendige Kompromisse bei der Konstruktion der magnetischen Abschirmungen haben jedoch dazu geführt, dass das Magnetfeld in der Nähe der unteren Abschirmdeckel empfindlich auf geringen mechanischen Stress in diesem Bereich reagiert, so dass es im Laufe der Zeit zu einer magnetischen Nullstelle kommen konnte, die Majorana-Übergänge verursachte. In einem komplizierten Zusammenspiel mit speziellen Eigenschaften des Mikrowellenfeldes im Ramsey-Resonator sowie einer vom magnetischen Unterzustand der Atome abhängigen Detektionswahrscheinlichkeit wurden so Frequenzabweichungen möglich.

Die Frequenzschwankungen konnten vergrößert und damit die Messzeit verlängert werden, indem absichtlich langsame zeitliche Variationen der Polarisation des Detektionslaserlichtes hervorgerufen wurden. Durch Majorana-Übergänge erzeugte kohärente Überlagerungszustände trugen dann in entsprechend variabler Weise zum Detektionssignal N bei, was in der Folge zu Frequenzschwankungen führte, die mit N korreliert waren.

Die vorgenommenen experimentellen und theoretischen Untersuchungen ergaben ein vertieftes Verständnis der durch Majorana-Übergänge möglichen speziellen Effekte bei einer Fontänenuhr. Das Auftreten dieser Übergänge bei CSF1 wird in Zukunft durch entsprechend angepasste Hilfsmagnetfelder vermieden. Zusätzlich wird durch eine permanent installierte Magnetfeldsonde eine eventuelle kritische Änderung der magnetischen Verhältnisse angezeigt werden, so dass unmittelbar Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.


Korrelierte Schwankungen der relativen Frequenzdifferenz y zwischen CSF1 und dem Wasserstoffmaser H4 einerseits und des Detektionssignals N aufgrund von Majorana-Übergängen andererseits.