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Auf dem Weg zur optischen Atomuhr

„Optische Uhren“ gelten als Kandidaten für einen genaueren und stabileren Zeitstandard. Im Vergleich zu den derzeit besten Caesium-Mikrowellen-Atomuhren genügen deutlich kürzere Mittelungszeiten, um Unsicherheiten von 10-15 zu erreichen. Mit Calcium-Atomen, die auf 10 µK gekühlt werden, und einem Femtosekunden-Kammgenerator gelang in der PTB ein großer Schritt in Richtung auf eine optische Atomuhr.

Fluoreszenz einer Wolke von Calcium-Atomen während der ersten Phase der Laserkühlung

Die Kühlung geschieht in zwei Schritten: Zunächst werden (im Ultrahochvakuum) die Calcium-Atome durch Streuung von resonantem Laserlicht abgebremst und in einer magnetooptischen Falle gespeichert. Dann wird der Frequenzübergang bei einer Wellenlänge von 657 nm (der „Uhrenübergang“) selbst zur Kühlung verwendet, um die Wolke von etwa 107 ultrakalten Atomen bei 10 µK zu präparieren. Zur Abfrage der schmalen Linie (natürliche Linienbreite 0,3 kHz) werden alle Laser- und Magnetfelder abgeschaltet und die frei fallenden Atome mehrmals mit dem Licht eines sehr schmalbandigen Lasers mit einer Linienbreite von etwa einem Hz angeblitzt. Nachdem man festgestellt hat, welcher Bruchteil der Atome angeregt ist, wird die Laserfrequenz so nachgestellt, dass sie exakt mit der Resonanzfrequenz der Atome übereinstimmt. Mit der neuen Technik der optischen Kammgeneratoren lässt sich die Frequenz dieser Resonanz dabei problemlos bestimmen und zugleich auf die Mikrowellenfrequenz des Primärnormals für Zeit und Frequenz, die Caesium-Atomuhr, zurückführen.

Bei diesen Experimenten mit sehr kalten Atomen ist die Messunsicherheit im Wesentlichen nur noch durch zufällige quantenmechanische Fluktuationen bestimmt. Da die Atome in der Wolke simultan abgefragt werden, können Abweichungen des Lasers von der atomaren Übergangsfrequenz sehr rauscharm detektiert werden. Ein besonderer Vorteil dieser optischen Uhr ist daher, dass zum Erreichen einer relativen Unsicherheit von 10-15 nicht mehrere Stunden (wie bei Cs-Atomuhren), sondern nur noch weniger als eine Sekunde gemittelt werden müsste; prinzipiell ließe sich die Mittelungszeit sogar auf eine Zehntelsekunde reduzieren.

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