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Stöße in optischen Gitteruhren im Griff

Optische Atomuhren erreichen eine Genauigkeit und Stabilität, die bereits heute den primären Atomuhren überlegen ist. Allerdings sind diese Uhren sehr aufwendige Laboraufbauten, die noch nicht für spezielle Anwendungen, beispielsweise im Weltraum, geeignet sind. In der PTB wurde nun gezeigt, dass man die hohe Genauigkeit (eine Größenordnung besser als mit jetzigen Fontänenuhren) auch mit einer einfacher aufgebauten optischen Gitteruhr erreichen kann.

Blick in die Ultrahochvakuumkammer, in der Strontiumatome gekühlt und gespeichert werden. Im oberen Drittel des Fensters ist das blaue Fluoreszenzlicht einer Wolke kalter Strontiumatome (Sr) zu sehen.

Optische Uhren benutzen sehr schmale Absorptionslinien als Referenz, um eine optische Frequenz zu stabilisieren. Da die Bewegung der Atome durch den Dopplereffekt zu sehr großen Frequenzverschiebungen führt, werden in den besten dieser Uhren die Atome in einem ersten Präparationsschritt mit Hilfe von Laserkühlung auf ein Hundertstel der Geschwindigkeit eines Fußgängers gebremst. In einer Gitteruhr folgt dann ein weiterer Schritt, in dem die Atome in Potentialmulden festgehalten werden. Diese werden durch das intensive Lichtfeld eines Lasers erzeugt. In diesem sogenannten optischen Gitter werden mehrere zehntausend Strontiumatome festgehalten. Die Bewegung der Atome wird so auf den Bruchteil einer optischen Wellenlänge eingeschränkt, sodass Verschiebungen durch den Dopplereffekt vernachlässigt werden können.

In jeder Potentialmulde sind einige hundert Atome gefangen, die sich gegenseitig stören können. Verwendet man das Isotop Strontium-87 – ein Fermion – kommen sich aufgrund des Pauli-Prinzips zwei dieser Teilchen bei sehr niedrigen Temperaturen nicht nahe. Da dieses Isotop nur relativ kompliziert mit Laserlicht zu kühlen ist und zudem nur eine natürliche Häufigkeit von 7 % hat, ist es für einfache, transportable oder gar für weltraumtaugliche Uhren weniger gut geeignet.

Das mit über 80 % häufigste Isotop Strontium-88, das sich auch einfacher kühlen lässt, ist allerdings ein Boson. Das heißt, selbst bei niedrigsten Temperaturen treten unter den Atomen viele Stöße auf. Sie können zu Verlusten und zu einer Verschiebung und Verbreiterung der Referenzlinie führen. Wie stark diese Stöße die Genauigkeit der Uhr beeinflussen, war bisher allerdings nicht bekannt. In einem Experiment in der PTB wurden diese Einflüsse jetzt zum ersten Mal detailliert gemessen.

Die Ergebnisse der Untersuchung haben gezeigt, wie das optische Gitter dimensioniert sein muss und wie viele Atome darin gespeichert werden dürfen, um auch mit Strontium-88 eine sehr genaue Gitteruhr zu betreiben. Auf dieser Grundlage wird jetzt eine Uhr gebaut, die kompakter und transportabler als bisherige Gitteruhren ist.

Als möglicher erster Einsatz wird diskutiert, die Rotverschiebung im Gravitationsfeld, die auf der Erdoberfläche 10–16 pro Meter Höhenunterschied beträgt, zur präzisen Bestimmung der Höhe über dem Geoid zu verwenden.

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