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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.

News

Für Untersuchungen der Phasenstabilität des Mikrowellen-Abfragesignals der Fontänenuhren CSF1 und CSF2 wurde ein Phasentransientenanalysator entwickelt. Mit diesem kann ausgeschlossen werden, dass durch periodisch auftretende Phasenfluktuationen relative Frequenzverschiebungen von mehr als 3x10-17 verursacht werden. Der Analysator kann auch für Untersuchungen an optischen Uhren eingesetzt werden.

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Bei Fontänenuhren führt eine erhöhte Frequenzstabilität zu kleineren Unsicherheiten bei Messungen für die Steuerung der internationalen Atomzeit und der gesetzlichen Zeit in Deutschland sowie bei Vergleichen mit optischen Uhren. Durch neue Lademethoden wurde die Zahl der Caesium- Atome in der Fontänenuhr CSF2 soweit erhöht, so dass nun eine relative Messauflösung von 3x10-16 innerhalb eines Tages...

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Comparisons between atomic clocks with cesium and ytterbium, respectively, confirm the constancy of the mass ratio of protons to electrons. (Photo: PTB)

Are the fundamental constants really constant? Recent investigations carried out at PTB have shown that one essen-tial fundamental constant – namely the mass ratio of protons to electrons – can have changed only by a maximum of one part in a million over the age of our solar system (i.e. extrapolated over approx. 5 billion years). Previously, sci-entists deemed the possible changes to be twice as...

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In einem internationalen Kooperationsprojekt ist eine metrologische Glasfaserverbindung zwischen dem SYRTE in Paris und der PTB in Braunschweig im Aufbau, die im Treffpunkt Straßburg zusammen geführt wird. Damit wird es zukünftig möglich, die höchstpräzisen optischen Uhren der beiden Staatsinstitute zu vergleichen. Jüngst wurde das letzte Teilstück der Glasfaser zwischen Braunschweig und Straßburg...

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In Zusammenarbeit mit dem wissenschaftlichen Gerätebau der PTB wird ein Prozess entwickelt, um hochgenaue, skalierbare Ionenfallen für Multi-Ionen Uhren auf der Basis von goldbeschichteten AlN-Keramik Substraten herzustellen. Erste laserstrukturierte und beschichtete Test-Chips wurden erfolgreich zu einer Fallenstruktur zusammengesetzt und kontaktiert. Diese befindet sich nun im Testbetrieb am...

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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