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Ungestörte Anregung mit gepulstem Licht

Besonders interessant für:
  • Entwickler optischer Atomuhren
  • Quanten-Informationsverarbeitung

Erstmals wurde in der PTB ein bisher nur theoretisch vorhergesagtes Verfahren experimentell bestätigt, mit dem sich sogenannte „Lichtverschiebungen“ vermeiden und somit die optische Ytterbium- Atomuhr der PTB zukünftig noch genauer machen lässt. Darüber hinaus wird die hier untersuchte „Hyper“- Ramsey-Anregung für viele Anwendungen hilfreich sein, bei denen es auf eine präzise kontrollierte Wechselwirkung zwischen Atomen und Laserlicht ankommt.

Ein spezielles Muster der Frequenz des Anregungslichtes mit definierten Phasensprüngen erlaubt in der Yb+-Einzelionenuhr die Unterdrückung der Lichtverschiebung und damit eine höhere Genauigkeit.

Sehr genaue Information über die innere Struktur von Atomen und Molekülen erhält man durch Anregung mit resonantem Laserlicht. Leider kann eben jenes Laserlicht – sofern es intensiv ist – zu messbaren Veränderungen innerhalb der Atomhülle führen. Bei dieser „Lichtverschiebung“ wird die Lage der atomaren Energieniveaus verändert; das Ausmaß hängt von der Intensität und Wellenlänge des verwendeten Lasers ab. Ist man an den Eigenschaften des Atoms als einem ungestörten Quantenobjekt interessiert, so muss man diese Verschiebung vermeiden oder korrigieren.

Bei der sogenannten „Hyper“-Ramsey- Anregung sorgt eine Folge von Laserpulsen mit einem speziellen Muster von Frequenz- und Phasensprüngen dafür, dass die ungestörte atomare Übergangsfrequenz direkt wiedergegeben werden kann. Dies war kürzlich in einer Zusammenarbeit von russischen, amerikanischen und PTB-Wissenschaftlern theoretisch gezeigt worden. Die experimentelle Realisierung der „Hyper“-Ramsey- Anregung gelang jetzt in der PTB an einem atomaren Übergang, der es erlaubt, sehr kleine Frequenzänderungen nachzuweisen, und der gleichzeitig eine große Lichtverschiebung aufweist, da zu seiner Anregung eine hohe Laserintensität benötigt wird. Es handelt sich um einen elektrischen Oktupolübergang im Yb+-Ion, der in der PTB als Basis einer optischen Uhr untersucht wird. Das Experiment konnte die theoretischen Vorhersagen über die Vorteile der „Hyper“-Ramsey-Anregung bestätigen und erreichte eine zehntausendfache Unterdrückung der Lichtverschiebung.

Kombiniert man die gegenwärtig maximal erreichbare spektrale Auflösung mit einer optimierten Experimentsteuerung, lässt sich der Beitrag der Lichtverschiebung zur systematischen Unsicherheit der Ytterbiumuhr auf unter 10–17 reduzieren; die Uhr wird also deutlich genauer. Darüber hinaus dürfte die neue Methode auch für andere Untersuchungen interessant sein, bei denen es auf eine präzise kontrollierte Wechselwirkung zwischen Atomen und Laserlicht ankommt, etwa auf dem Gebiet der Quanten-Informationsverarbeitung.

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

N. Huntemann, B. Lipphardt, M. Okhapkin, Chr. Tamm, E. Peik, A.V. Taichenachev, V.I. Yudin: Generalized Ramsey excitation scheme with suppressed light shift. Phys. Rev. Lett. 109, 213002 (2012)