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Strontium-Gitteruhr erreicht Rekordinstabilität

04.01.2016

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.

Optische Gitteruhren erlauben es auf Grund der gleichzeitigen Abfrage einer großen Zahl Atome, Laserstrahlung mit extrem stabiler Frequenz zu erzeugen. Dazu wird ein Laser, dessen Frequenz auf kurzen Zeitskalen bereits hervorragend vorstabilisiert wird, auf einen sehr scharfen elektronischen Übergang der Atome langzeitstabilisiert. Die Frequenz dieser Strahlung steht dann für höchstauflösende Experimente zur Verfügung. In unserem Fall dienen neutrale Strontiumatome, die ein weiterer Laserstrahl in einem Rezipienten festhält, als Referenz. Die Stabilität der Laserfrequenz wird durch fundamentale und technische Rauschprozesse begrenzt: Als fundamentale Rauschquelle ist das sogenannte ‚Quantenprojektionsrauschen‘ anzusehen. Es tritt dadurch auf, dass die Atome in eine quantenmechanische Überlagerung zweier elektronischer Zustände gebracht werden und diese anschließend gemessen wird, um ein Regelsignal zu erzeugen. Bei der Detektion muss sich jedes Atom für einen Zustand ‚entscheiden‘, diese Projektion erfolgt zufällig und führt daher zu Rauschen bei der Bestimmung der ursprünglichen Wahrscheinlichkeitsverteilung. Technisches Rauschen umfasst u.a. das Rauschen elektronischer Komponenten und Laserrauschen. Die Summe dieser Prozesse begrenzt letztlich die Frequenzstabilität der optischen Uhr.

Im Fachbereich 4.3 haben wir die Quellen von Rauschen an unserer Strontium-Gitteruhr genau analysiert und konnten zeigen, dass die derzeit weltbeste Frequenzinstabilität von 1,6×10-16/(t/s)1/2 erreicht wird [1]. Damit sind Messungen mit einer relativen Auflösung von 10-17 innerhalb weniger 100 s möglich. Die Analyse ergab auch, dass der Einfluss des Laserfrequenzrauschens in Kombination mit dem nichtkontinuierlichen Vergleich von Laser- und atomarer Frequenz, der durch Präparationszeiten bedingt ist, der dominante Rauchbeitrag ist – und dies, obwohl bereits ein Abfragelaser mit weltweit führender Frequenzstabilität [2] eingesetzt wird. Durch Weiterentwicklung aller Systeme erwarten wir, das durch Projektionsrauschen gegebene Limit zu erreichen und das Rauschen der Uhr um einen Faktor zwei oder mehr reduzieren zu können.

(Ch. Lisdat, FB 4.3, christian.lisdat@ptb.de)

Literatur:

[1]        A. Al-Masoudi, S. Dörscher, S. Häfner, U. Sterr, C. Lisdat, Noise and instability of an optical lattice clock, arXiv:1507.04949 (2015), accepted for publication in Phys. Rev. A.

[2]        S. Häfner, S. Falke, C. Grebing, S. Vogt, T. Legero, M. Merimaa, C. Lisdat, U. Sterr, 8×10-17 fractional laser frequency instability with a long room-temperature cavity,
Opt. Lett. 40, 2112 – 2115 (2015).