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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

Am QUEST-Institut an der PTB wurde ein Aufbau zur ortsaufgelösten Seitenbandspektroskopie an Coulomb-Kristallen entwickelt. Die zunächst mit einem einzelnen Ion durchgeführten Tests erlaubten die gleichzeitige Messung von Temperaturen mehrerer Moden im Bereich einiger Millikelvin. Mittels Grundzustandskühlen der radialen Moden konnte gezeigt werden, dass die Heizraten im derzeit verwendeten...

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Hochgeladene Ionen besitzen Übergänge, die sich besonders gut für optische Uhren, Tests der Quantenelektrodynamik und die Untersuchung einer möglichen Änderung von Naturkonstanten eignen. Bislang konnten sie jedoch nur bei extrem hohen Temperaturen im Mega Kelvin Bereich untersucht werden. Forschern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (Heidelberg) und der PTB ist es nun erstmals gelungen...

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Die größte systematische Unsicherheit in Aluminium-Ionenuhren ist die relativistische Zeitdilatation aufgrund der Restbewegung des Ions in der Falle. Forscher am QUEST-Institut an der PTB haben eine neue Kühltechnik demonstriert, die es erlaubt signifikant schneller als herkömmliche Kühltechniken in den Bewegungsgrundzustand zu kühlen. Diese neue Technik wird es ermöglichen den größten Beitrag im...

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Für ein optisches Frequenznormal, das einen stark verbotenen Oktupolübergang in einem gespeicherten Yb+-Ion als Referenzübergang nutzt, wurde die Frequenzverschiebung durch die Schwarzkörperstrahlung der Umgebung mit einer Relativunsicherheit unter 2·10-18 bestimmt. 

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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