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Sekunde: Optische Atomuhren

Optische Atomuhren sind die nächste Generation von Atomuhren. Sie befinden sich momentan noch im Entwicklungsstadium. Bei heutigen Atomuhren liegt die Taktfrequenz im Mikrowellenbereich, und üblicherweise werden Cäsium-Atome als Referenz verwendet. Bei optischen Atomuhren ist die Taktfrequenz mehr als 10 000-fach höher (100 THz - 1000 THz) und liegt damit im optischen Spektralbereich. Dadurch ermöglichen sie eine etwa 100-fach höhere Genauigkeit, die nach deutlich kürzeren Mittelungszeiten erreicht werden kann. Es gibt unterschiedliche Varianten, mit unterschiedlichen Referenzatomen bzw. Referenzionen, die sich jeweils in der eingesetzten Technik unterscheiden und damit auch unterschiedliche Vor- und Nachteile haben. Bisher hat sich hier noch kein spezieller Typ durchgesetzt. Doch der Wettlauf um die beste Uhr der Zukunft hat längst begonnen. In der PTB werden gleich mehrere mögliche Varianten in unterschiedlichen Arbeitsgruppen untersucht.

Nachrichten

Noch ist der Wert des kleinen Platinzylinders in einem Safe im Pariser Vorort Sèvres unermesslich – sagt dieses Objekt doch der Welt seit mehr als hundert Jahren, was ein Kilogramm ist. Doch schon sehr bald wird sich sein Wert auf den reinen Kurswert von Platin reduzieren. Denn die Welt des präzisen Messens steht vor einem fundamentalen Wandel. Die physikalischen Einheiten wie das Kilogramm für...

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Der Atomkern Thorium-229 besitzt eine unter allen bekannten Nukliden einmalige Eigenschaft: Es sollte möglich sein, ihn mit ultraviolettem Licht anzuregen. Über den dafür verantwortlichen niederenergetischen Zustand des Th-229-Kerns war bisher nur wenig bekannt. Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben zusammen mit Kollegen aus München und Mainz nun erstmals mit optischen...

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In einer europäischen Forschungskooperation, an der Uhrenexperten des National Physical Laboratory (NPL, England), des Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM, Italien) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) beteiligt waren, wurde die transportable optische Strontiumuhr der PTB genutzt, um das Gravitationspotential der Erde zu messen. Die Ergebnisse sind in der Opens external link in new windowaktuellen...

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Optische Atomuhren „ticken“ mit der unvorstellbar hohen Frequenz von Laserlicht - fast 1015 Hertz. Mit geeigneten Messverfahren muss dafür gesorgt werden, dass die Laserfrequenz selbsttätig genau auf die ungestörte Übergangsfrequenz zwischen zwei atomaren Energiezuständen stabilisiert wird. Um Störungen zu vermeiden, befinden sich die Referenzatome im Vakuum in maßgeschneiderten Fallen, sodass sie...

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Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist in Deutschland für die Aussendung der gesetzlichen Zeit, etwa für Funkuhren, zuständig. Dazu betreibt sie einige der besten Cäsium-Atomuhren der Welt. Gleichzeitig werden hier schon mehrere Atomuhren der nächsten Generation entwickelt. Diese Uhren basieren nicht mehr auf einem Mikrowellenübergang in dem Element Cäsium, sondern auf anderen Atomen,...

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Beteiligte Arbeitsgruppen der PTB

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

Frequenzübertragung mit Glasfasern

Für den Vergleich optischer Atomuhren über weite Distanzen müssen deren Signale an Orte außerhalb des Ursprungslabors übertragen werden. Das Netzwerk optischer Telekommunikationsfasern bietet für eine solche Frequenzverteilung einzigartige Voraussetzungen. Mit Hilfe von Glasfaserverbindungen ist in den vergangenen Jahren eine Frequenzverteilung mit Genauigkeiten demonstriert worden, die alle herkömmlichen Methoden in den Schatten stellt und es ermöglicht, auch die neueste Generation von Atomuhren ohne Verfälschungen durch die Verbindung vergleichen zu können. Neben der weiteren Verbesserung dieser Glasfaserverbindungen befasst sich die Arbeitsgruppe "Frequenzübertragung mit Glasfasern" mit der Ausnutzung der Technologie für z.B. geodätische Untersuchungen.

Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 4.34: Frequenzübertragung mit Glasfasern

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.

 

Opens internal link in current windowQUEST-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.

Opens internal link in current windowQUEST-Institut: Multi-Ion Clocks