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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

Bei Krankheiten wie Parkinson helfen sogenannte Hirnschrittmacher sehr gut. Doch ein solches Implantat kann bei einem MRT-Scan zu gefährlichen Erwärmungen führen. (Röntgenaufnahme; Quelle: Wikimedia Commons)

Die Magnetresonanztomografie (MRT) ist weltweit das zweithäufigste medizinische Bildgebungsverfahren mit über 100 Millionen Untersuchungen pro Jahr. Allerdings müssen Patienten, die Implantate tragen, oft auf diese lebensrettende Diagnosemöglichkeit verzichten oder eine geringere Bildqualität hinnehmen. Vor allem bei aktiven Implantaten wie Herzschrittmachern und Neurostimulatoren kann eine...

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Aufbau der optischen Uhr mit Strontium-Ionen

Optische Atomuhren gelten als die Atomuhren der Zukunft. Sie „ticken“ bereits, aber noch ist die Einheit Sekunde durch Cäsium-Atomuhren definiert. Bei ihnen werden Cäsium-Atome durch Mikrowellenstrahlung angeregt, die Atome oder Ionen bei optischen Uhren dagegen durch optische Strahlung. Die häufigeren Schwingungen pro Zeiteinheit von Licht im Vergleich zur Mikrowelle erlauben eine Bestimmung der...

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Optical atomic clocks are the most accurate measurement devices ever built, and they have become a key technology in fundamental and applied research used, for example, in testing the stability of natural constants or for geodetic height measurements. As part of a collaboration within the QuantumFrontiers Cluster of Excellence, researchers from the QUEST Institute at PTB have developed the...

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Optische Strontiumuhr

Quantenuhren können so genau messen, dass sie in Geodäsie und Klimaforschung als empfindliche Sensoren dienen können, um die Oberfläche der Erde genauer zu vermessen oder die Erhöhung des Meeresspiegels aufgrund der Klimaerwärmung zu verstehen. Doch bislang sind diese Uhren sehr aufwendige wissenschaftliche Geräte, die von Atomuhrspezialistinnen und spezialisten betrieben werden müssen. Ein gerade...

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Optische Atomuhr mit hochgeladenen Ionen

Optical atomic clocks are the most accurate measuring instruments ever built and are becoming key tools for basic and applied research, for example to test the constancy of natural constants or for height measurements in geodesy. Now, researchers at the QUEST Institute at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), in collaboration with the Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) and...

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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