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The second: Optical atomic clocks

Optical atomic clocks are the next generation of atomic clocks. Currently, they are still at the development stage. In the case of today's atomic clocks, the clock frequency lies in the microwave range, and cesium atoms are usually used as a reference. In the case of optical clocks, the clock frequency is more than 10 000 times higher (100 THz - 1000 THz) and lies, thus, in the optical spectral range. Due to this fact, their accuracy – which can be achieved after clearly shorter averaging times – is approx. a 100 times higher. There are different variants, with different reference atoms or reference ions, for which different technologies have been used and which, therefore, also have different advantages and disadvantages. However, no special type has so far established itself. But the race to find the best clock of the future has already started. At PTB, several possible variants are being investigated.


(a) Conceptual set-up of the experiment with MgH<sup>+</sup>(orange) and Mg<sup>+</sup> (green) in a linear ion trap. The ionic crystal is cooled to the ground state via Mg+. An oscillating dipole force changes the motion state, depending on the rotation state of MgH<sup>+</sup>. This excitation is read out via Mg<sup>+</sup>. (b) Typical detection signal in which a quantum jump into the (J = 1) rotation state (transition from the red to the blue area) of the molecule and out of it (from blue to red) can be seen.

The QUEST Institute at PTB has, for the first time, succeeded in proving the quantum state of trapped and indirectly laser-cooled molecular ions without destroying the molecule itself or its internal state. In this way, quantum jumps which were induced by thermal environmental radiation could be observed directly in a single molecule, and a new form of spectroscopy could be demonstrated. The new...

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Schema: Einfluss der thermischen Strahlung bei der Ytterbiumuhr

Atomic clock experts from the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) are the first research group in the world to have built an optical single-ion clock which attains an accuracy which had only been predicted theoretically so far. As early as 1981, Hans Dehmelt, who was to be awarded a Nobel prize later, had already developed the basic notions of how to use an ion kept in a high-frequency...

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Noise contributions of the strontium lattice clock

Researchers from the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) have thoroughly analyzed the noise processes in their optical lattice clock with neutral strontium atoms. This analysis proves that their optical atomic clock has reached the best stability worldwide thanks to a newly developed laser system whose frequency is extremely stable. This allows high-precision measurements in a short time...

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Quantum logic spectroscopy of molecular ions

The interaction of thermal energy from the environment with motional degrees of freedom is well known and often referred to as Brownian motion (also thermal motion). But in the case of polar molecules, the internal degrees of freedom – in particular the rotational quantum state – are also influenced by the thermal radiation. So far, the detection of the rotational state was only possible by...

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Optische Gitteruhren erlauben es, extrem frequenzstabile Laserstrahlung zu erzeugen. Die Stabilität wird durch fundamentale und technische Rauschprozesse begrenzt. Deren genaue Analyse ergab, dass die Strontium-Gitteruhr eine ausgezeichnete Instabilität von 1,6×10-16/(τ/s)1/2 erreicht, so dass Messungen mit einer relativen Auflösung von 10-17 in wenigen 100 s möglich werden.

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Involvet Working Groups

Optische Strontium-Atomuhren

In einer optischen Strontium-Atomuhr wird ein Übergang zwischen zwei Energieniveaus im Strontium-Atom als Referenz verwendet. Dazu werden Strontium-Atome im Interferenzmuster zweier Laserstrahlen festgehalten. Entsprechend dem Streifenmuster der Interferenz sind sie dadurch Gitter-artig angeordnet. Deshalb werden optische Atomuhren dieser Art auch als Strontium-Gitteruhren bezeichnet. Mit der höheren Genauigkeit werden auch neue Anwendungsfelder zugänglich. So wird auch eine transportable Strontium-Atomuhr entwickelt, die z.B. für geodätische Untersuchungen eingesetzt werden kann.

Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 4.32: Optische Gitteruhren

Frequency Dissemination with Fibres

Optical clock comparisons over large distances require the transmission of the signal of optical clocks beyond the confines of the laboratory of origin. The network of optical telecom fibres offers unique opportunities for such frequency dissemination. Using links based on telecom fibres, frequency dissemination with an accuracy outperforming traditional means has been demonstrated in recent years. These links enable comparing the world's best optical clocks without any noticeable impact of the link between them. The working group "Frequency Dissemination with Fibres" not only strives to continue improving the performance of the links but also pursues application of the technology for example to relativistic geodesy.

Opens internal link in current windowWorking Group 4.34: Frequency Dissemination with Fibres

Optische Ytterbium-Ionenuhren

Eine optische Ytterbium-Ionenuhr basiert auf einem einzelnen Ion, das im elektrischen Feld einer Paulfalle gefangen ist. Als Referenz dient ein Übergang zwischen zwei Energieniveaus des Ytterbium-Ions. Damit die Übergangsfrequenz nicht durch das elektrische Feld der Falle gestört wird, ist diese gerade so konzipiert, dass im Zentrum der Falle das elektrische Feld gleich null ist. Genau dort befindet sich das Ion.

Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 4.43: Optische Uhren mit gespeicherten Ionen

Optische Aluminium-Ionenuhren

Bei optischen Aluminium-Ionenuhren wird ein Übergang zwischen zwei Energieniveaus eines Aluminium-Ions als Referenz verwendet. Das Aluminium Ionen wird dazu im elektrischen Feld einer linearen Paulfalle gehalten. Zum Auslesen der Übergangsfrequenz wird ein zweites Ion verwendet, das in der gleichen Falle gefangen ist. Mittels sogenannter Quantenlogik-Spektroskopie kann die Übergangsfrequenz hochgenau ausgelesen werden.

QUEST-Institut: Quantum Logic Spectroscopy

Optische Multi-Ionenuhren

Während bei Atomuhren basierend auf neutralen Atomen stets über viele Atome gemittelt wird, steht in Ionenuhren üblicherweise lediglich ein einzelnes Ion zur Verfügung. Deshalb ist eine längere Mittelungszeit erforderlich. Demgegenüber haben sie allerdings den Vorteil, dass sie weniger anfällig für Störungen von außen sind. In der optischen Multi-Ionenuhr sollen beide Vorteile kombiniert werden, indem mehrere Ionen in der gleichen linearen Paul-Falle gehalten werden. Als Referenz dient ein Übergang zwischen zwei Energieniveaus des Indium-Ions.

QUEST-Institut: Multi-Ion Clocks