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Ein hochgenaues optisches Frequenznormal

Mit Hilfe eines einzelnen gespeicherten Ytterbium-Ions wurde die Frequenz von blauem Laserlicht mit einer Genauigkeit von wenigen Hertz stabilisiert. Damit wurde eine der gegenwärtig weltweit genauesten Referenzfrequenzen im optischen Wellenlängenbereich etabliert.

Die im Experiment verwendete Ionenfalle: Kappenelektroden und Ringelektrode (Durchmesser 1,3 mm) zur Erzeugung des Quadrupol-Fallenfeldes; Ofen gefüllt mit Ytterbium, Glühdraht als Elektronenquelle

Die SI-Einheiten für Zeit (Sekunde) und Frequenz (Hertz) sind die mit weitem Abstand am genauesten darstellbaren Maßeinheiten. Mit den besten Caesium-Atomuhren, die gegenwärtig an der PTB und in anderen Metrologie-Instituten routinemäßig betrieben werden, erreicht man bei der Darstellung von Zeittakten und Normalfrequenzen eine relative Genauigkeit von nahezu 10-15 (siehe PTB-news 01.3). Für Präzisionsmessungen zur Bestimmung von Naturkonstanten sowie für Tests von grundlegenden physikalischen Theorien, die auf dem Vergleich präziser Uhren beruhen, sind allerdings atomare Frequenznormale mit noch höherer Genauigkeit und Kurzzeit-Stabilität dringend erwünscht. Erreichen lässt sich dieses Ziel, indem die Frequenz des Taktsignals gesteigert wird, mit dem die als Referenz dienenden Atome angeregt werden. Besonders vorteilhaft ist hier der Sprung vom Mikrowellen-Bereich (Caesiumuhr: 9,2 GHz) in den optischen Frequenzbereich (100 THz bis 1000 THz). Die Genauigkeit eines optischen Frequenznormals kann mit optischen Frequenzkamm-Generatoren (siehe PTB-news 00.3) in den Mikrowellenbereich und auf beliebige andere optische Frequenzen übertragen werden.

Ein einzelnes lasergekühltes Ion, das in einer Hochfrequenz-Ionenfalle gespeichert wird, bietet ein besonders hohes Genauigkeitspotenzial für optische Frequenznormale. Das an der PTB untersuchte 171Yb+ gehört zu den Ionen, bei denen die systematischen Störungen der atomaren Übergangsfrequenz bis zu einer relativen Messunsicherheit von 10-18 kontrollierbar erscheinen. In den Experimenten dient das Resonanzsignal eines gespeicherten 171Yb+-Ions dazu, die Frequenz eines speziellen 435,5 nm-Halbleiterlasersystems zu stabilisieren. Die auf diese Weise atomar festgelegte Laserfrequenz wird mit Hilfe eines Frequenzkamm-Generators und des Caesium-Referenznormals CSF1 der PTB gemessen. Bei der bisher erreichten 1-rho-Unsicherheit von 6 Hz des Messwerts (688 358 979 309 312 Hz) überwiegt der Anteil der statistischen Messunsicherheit; die innerhalb mehrerer Wochen gemessenen Frequenzwerte unterscheiden sich nur um ± 2,6 Hz.

Gegenwärtig wird ein Experiment zum direkten Vergleich zweier 171Yb+-Normale durchgeführt, um unabhängig von den Genauigkeits- und Stabilitätsgrenzen der Caesium-Referenz Informationen über den Einfluss der Speicherbedingungen auf die 171Yb+-Übergangsfrequenz und die zu erwartende Messunsicherheit zu erhalten. Zukünftige Arbeiten zielen auf eine signifikante Reduzierung der Messunsicherheit hin.

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