09.10.2010
Die Entwicklung optischer Uhren wird an der PTB wie auch an anderen Staatsinstituten intensiv vorangetrieben. Durch die Abfrage sehr schmaler Absorptionslinien im sichtbaren Spektralbereich wird eine erheblich höhere Stabilität bei optischen Frequenzstandards als bei den Mikrowellen-Primärnormalen erreicht. Als Absorber kommen gefangene einzelne Ionen oder Wolken kalter Neutralatome zum Einsatz. Im Falle von Gitteruhren mit Strontium werden die Atome in einem starken Laserfeld – dem optischen Gitter – gefangen, wozu sie auf einige millionstel Kelvin lasergekühlt werden müssen. Die Bewegung der Atome ist dann auf den Bruchteil einer optischen Wellenlänge reduziert, wodurch der Doppler-Effekt zu vernachlässigen ist.
Strontium-Gitteruhren werden in den USA am JILA [1], am SYRTE in Frankreich [2] und in Japan [3] betrieben. Drei Experimente zeigten übereinstimmende Ergebnisse, wobei die Unsicherheit der Frequenz des Uhrenübergangs 1S0 – 3P0 zu einem großen Teil durch die Genauigkeit und Statistik der als Referenz dienenden Cs-Fontänen bestimmt war. Im Falle des Sr-Experimentes am JILA wurde sogar eine relative Unsicherheit für das Sr-Frequenznormal von 1⋅10-16 erreicht [4].
Mit dem Aufbau der PTB wurde jetzt erstmalig die Frequenz des Uhrenübergangs von 87Sr gegen eine der Cs-Fontänenuhren der PTB gemessen (siehe Bild). Vorläufige Auswertungen lassen eine relative Unsicherheit seitens der optischen Uhr von unter 4⋅10-16 erwarten, so dass auch diese Messung mit einer Gesamtunsicherheit von wahrscheinlich 1⋅10‑15 durch die Fontänenuhr bestimmt wird. Damit ist der PTB der Anschluß an die starke internationale Konkurrenz gelungen. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch, dass bei internationalen Zeitvergleichen die Cs-Fontänenuhren durchaus Streuungen von 1⋅10-15 aufweisen können – dem Vergleich der Gitteruhren zwischen den Instituten sind so eindeutig Grenzen gesetzt.
Die Genauigkeit der PTB-Gitteruhr soll in naher Zukunft weiter verbessert werden. Eine Begrenzung stellt zur Zeit die ac-Stark Verschiebung des Uhrenübergangs durch die Schwarzkörperstrahlung der Umgebung dar. Die Verschiebung beträgt bei 300 K ca. 5⋅10-15 der optischen Frequenz. Für Frequenzmessungen bei Zimmertemperatur mit einer relativen Genauigkeit von unter 10-16 muss die Temperatur des der atomaren Umgebung besser als 1 K bekannt sein. Außerdem ist eine genauere Bestimmung des Verschiebungskoeffizienten notwendig. Um entsprechende Messungen durchführen zu können, müssen die Atome zur Spektroskopie in eine besser definierte Umgebung transportiert werden. Es wurden zu diesem Zweck luftgelagerte Verschiebeeinheiten aufgebaut, die Atome und optisches Gitter schnell in z.B. eine flüssig-Stickstoff gekühlte Umgebung transferieren sollen. Mit ihnen wird es im Uhrenbetrieb möglich sein, die Verschiebung des Uhrenübergangs auf wenige 10-18 der optischen Frequenz zu reduzieren.
Darstellung der Publizierten Frequenzen des 87Sr Uhrenübergangs 1S0 – 3P0 bei 698 nm (SYRTE: [2], JILA: [1], Tokyo: [3]). Die vorläufige Auswertung der drei Messungen an der PTB (PTB 2010) zeigt gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der anderen Gruppen. Die Unsicherheit beinhaltet die Beiträge der Cs-Fontänenuhr und der Gitteruhr. Als kleine Fehlerbalken ist die Unsicherheit des Sr-Normals alleine angedeutet.
Literatur:
[1] G. K. Campbell, A. D. Ludlow, S. Blatt, J. W. Thomsen, M. J. Martin, M. H. G. de Miranda, T. Zelevinsky, M. M. Boyd, J. Ye, S. A. Diddams, T. P. Heavner, T. E. Parker, S. R. Jefferts, The absolute frequency of the 87Sr optical clock transition, Metrologia 45, 539-548 (2008).
[2] X. Baillard, M. Fouché, R. L. Targat, P. G. Westergaard, A. Lecallier, F. Chapelet, M. Abgrall, G. D. Rovera, P. Laurent, P. Rosenbusch, S. Bize, G. Santarelli, A. Clairon, P. Lemonde, G. Grosche, B. Lipphardt, H. Schnatz, An optical lattice clock with spin-polarized 87Sr atoms, Eur. Phys. J. D 48, 11-17 (2008).
[3] T. Akatsuka, M. Takamoto, H. Katori, Optical lattice clocks with non-interacting bosons and fermions, Nature Physics 4, 954-959 (2008).
[4] M. J. Martin, J. W. Thomsen, S. M. Foreman, Jun Ye, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, Y. Le Coq, Z. W. Barber, N. Poli, N. D. Lemke, K. M. Beck, C. W. Oates, Sr lattice clock at 1⋅10−16 fractional uncertainty by remote optical evaluation with a Ca clock, Science 319, 1805 (2008).