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Großer Schritt zur optischen Uhr

Mit einem einzelnen Ytterbium-Ion, das in einer Ionenfalle gespeichert wurde, und einem Femtosekunden-Kammgenerator gelang in der PTB ein großer Schritt in Richtung auf eine optische Atomuhr. Die Frequenz eines optischen Yb+-Übergangs von (688 358 979 309 307,7 ± 2,2) Hz wurde über mehrere Tage mit der Frequenz einer Cs-Fontänenuhr als Primärnormal verglichen.

Justierung des Femtosekunden-Kammgenerators

Seit mehr als einem halben Jahrhundert verteidigen Cäsium-Uhren erfolgreich ihren Ruf als die besten Uhren der Welt. Es ist schwierig, ihre Genauigkeit wesentlich weiter zu steigern. Als aussichtsreichste Kandidaten für noch genauere und gleichzeitig stabile Zeitstandards gelten so genannte optische Uhren, deren Übergangsfrequenz im Bereich des sichtbaren Lichts liegt. Mit ihrer gegenüber der Cs-Frequenz ca. 75 000-mal höheren Frequenz können die optischen Uhren Zeitintervalle wesentlich feiner unterteilen.

Um den Vorteil der höheren Frequenz ausnutzen zu können, ist ein optisches „Uhrwerk“ notwendig, das es erlaubt, langzeitstabil aus der optischen Frequenz den Sekundentakt zu generieren. Als Uhrwerk dienen heutzutage Femtosekunden-Kammgeneratoren, basierend auf Ultrakurzpulslasern. Diese Laser verbinden über die Pulswiederholrate den Mikrowellenbereich (108 Hz) mit dem optischen Spektralbereich (1014 Hz). Ähnlich einem Lineal bilden die Moden eines Frequenzkamms einen absoluten Maßstab bis hin zu den optischen Frequenzen.

Jetzt ist der PTB ein großer Schritt in Richtung auf eine optische Atomuhr gelungen. Die Frequenz eines optischen Frequenznormals, basierend auf einem einzelnen Yb+-Ion in einer Paul-Falle, wurde über mehrere Tage mit den Frequenzen der Cs-Fontänenuhr CSF1 und eines kurzzeitstabileren Wasserstoffmasers verglichen.

Diese Messungen legen den Grundstein zum Betrieb einer optischen Uhr mit bisher unerreichter Präzision, zeigen sie doch, dass optische Frequenznormale mit gespeicherten Ionen heute eine ähnlich geringe Unsicherheit erreichen wie die genauesten Cäsium-Uhren im Mikrowellenbereich. Mit der um zwei Größenordnungenbesseren Kurzzeitstabilität konnten z. B. relative Frequenzschwankungen von 1 · 10–17 eines stabilisierten Faserlasers in nur einer Stunde Messzeit nachgewiesen werden. Selbst mit der weltbesten Cs-Uhr bräuchte man dafür viele Monate Mittelungszeit.

Damit ist die Zeit reif, sich auf sekundäre Realisierungen der Sekunde vorzubereiten, die später möglicherweise zu einer Neudefinition der Sekunde führen könnten.

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