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Nachrichten aus dem Jahresbericht 2016

Grundlagen der Metrologie

Am QUEST-Institut wurde eine in Zusammenarbeit mit dem Fachbereich 5.5 entwickelte skalierbare Ionenfalle für Multi-Ionen-Uhren in Betrieb genommen und charakterisiert. Die Falle besteht aus Aluminiumnitrid-Plättchen, deren Elektrodenstrukturen mit einem gepulsten Laser mikrometergenau geschnitten wurden. An gefangenen Yb+-Ionen durchgeführte Messungen zeigen, dass sie für den Betrieb einer...

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Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Klemens Hammerer an der Leibniz Universität Hannover haben Forscher des QUEST Instituts an der PTB einen Algorithmus zum Auslesen einer auf mehreren Aluminium-Ionen basierenden optischen Uhr entwickelt. Dieser erlaubt es die Anzahl der erforderlichen Auslese-Ionen dramatisch zu reduzieren indem der Zustand der Uhren-Ionen binär kodiert und ausgelesen wird. Die...

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Forscher des QUEST Instituts konnten die Isotopieverschiebung von zwei Übergängen in einfach geladenem Calcium mit einer Auflösung von 100 kHz über Photonen-Rückstoß-Spektroskopie messen. Zusammen mit Forschern des FPM Instituts der PTB und weiteren Kollaborationspartnern wurde eine signifikante Abweichung von theoretischen Vorhersagen basierend auf Atomstrukturrechnungen gefunden. Weitere...

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Am QUEST Institut in der Arbeitsgruppe von C. Ospelkaus wurde ein skalierbarer Herstellungsprozess für mehrlagige Ionenfallen entwickelt. Die Ionen sollen dabei durch elektrische Felder, ausgehend von Elektroden in der metallischen Oberfläche, gespeichert werden. In den unteren Lagen werden die hierfür notwendigen Signale zugeführt. Die Struktur besteht aus galvanisch aufgebrachten Goldleitern mit...

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Im von der DFG mit knapp 10 M€ geförderten Sonderforschungsbereich DQ-mat arbeiten Forscher der Leibniz Universität Hannover, der PTB in Braunschweig und des Zentrums für angewandte Raumfahrt und Mikrogravitation in Bremen zusammen um besondere quantenmechanische Eigenschaften von Vielteilchensystemen für die Metrologie auszunutzen. So soll die Auflösung und Genauigkeit von Atominterferometer und...

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Im Rahmen des EU-Projekts nuClock wird in einer interdisziplinären Kooperation die Möglichkeit einer auf dem Isotop Th-229 basierenden optischen Kernuhr untersucht. Um dafür benötigte Information über die Kernstruktur im Grund- und angeregten Zustand zu erhalten, wurde mit Lasersystemen der PTB am Maier-Leibnitz-Laboratorium der LMU München erstmals Laserspektroskopie an Ionen von Th-229...

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In Fontänenuhren können Wechselwirkungen der Atome mit resonanten Mikrowellenfeldern außerhalb der eigentlichen Bestrahlungszone zu Frequenzfehlern führen. Die PTB hat eine Methode entwickelt, diesen Fehler zu reduzieren. Mittels einer digitalen Frequenzsynthese wird die Mikrowellenfrequenz synchron zum Fontänenzyklus verstimmt. Mögliche Wechselwirkungen werden dadurch so stark abgeschwächt, dass...

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Viele Atomuhren verwenden die sogenannte Ramsey-Methode der Anregung mit zwei zeitlich getrennten Pulsen. Dabei können Pulsdefekte, wie sich wiederholende  Änderungen der Intensität oder Phase, zu Frequenzfehlern der Uhr führen. Durch die Kombination von Signalen, die mit unterschiedlich weit getrennten Pulspaaren erhalten werden, können diese Fehler sehr effizient unterdrückt werden.

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In Zusammenarbeit mit dem Institut für Erdmessung der Leibniz Universität Hannover wurde das Gravitationspotential an den Atomuhren-Standorten der PTB und drei weiterer europäischer Metrologieinstitute (London, Paris, Turin)  aus einer Kombination von GPS-Koordinaten, dem Nivellement zu Höhenreferenzpunkten und aktualisierten Geoid-Modellen neu bestimmt. Die aus dem Potential zu berechnende...

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Im zweiten Call des europäischen Metrologieforschungsprogramms EMPIR (European Metrology Programme for Innovation and Research) beteiligen sich die Fachbereiche Quantenoptik und Längeneinheit und Zeit und Frequenz an zwei Projekten.

Ziel des von der PTB koordinierten Projektes OFTEN, (Optical frequency transfer - a European Network) ist es, die für den Vergleich entfernter Uhren notwendige...

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Vier zu den weltweit besten Primäruhren gehörende Caesium-Fontänenuhren (je zwei an der PTB und am LNE-SYRTE in Paris) sind erstmals über eine 1400 km lange optische Glasfaserstrecke miteinander verglichen worden. Der Vergleich zeigt, dass die Frequenzen der Fontänenuhren im Rahmen ihrer Unsicherheiten auf wenige 10-16 übereinstimmen.

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Bei Vergleichen entfernter optischer Uhren über stabilisierte Glasfaserlinks soll der Unsicherheitsbeitrag der Frequenzübertragung unterhalb der Unsicherheit der zu vergleichenden Uhren liegen – trotz langer Kampagnendauern und Messunterbrechungen. Mit Hilfe eines zweistufigen Verfahrens zur Auswahl von validen Messpunkten, bestehend aus einem Test auf Integrität des Glasfaserlinks und einem...

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Ein neues transportables Lasersystem wurde entwickelt, das sich aufgrund seiner Kompaktheit, Wartungsfreundlichkeit und Instabilität von 10-15 (1s) ideal als empfängerseitige optische Referenzfrequenz für die Charakterisierung von Frequenzübertragungen über Glasfasern eignet. Der erste Einsatz des Lasersystems fand in der Leibniz Universität Hannover statt und konnte maßgeblich zur Optimierung und...

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Im Rahmen des SFB1128 geo-Q wird derzeit die Kombination von Faser-Brillouin-Verstärkung mit einem von der PTB patentierten Verfahren erprobt, welches über einen einzelnen stabilisierten Faserlink mehreren Abnehmern eine hochstabile Frequenz rückführbar zur Verfügung stellt. Entlang des Faserlinks wird an mehreren Orten in Hannover – u. a. im IQO der Leibniz Universität – ultrastabiles Laserlicht...

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Anfang des Jahres wurden zwei mehrwöchige Messkampagnen im Untergrundlabor LSM (Laboratoire Souterrain de Modane) und am italienischen Metrologieinstitut INRIM, Turin, durchgeführt. Die transportable optische Strontiumuhr der PTB wurde über eine 100 km-Glasfaserverbindung bzw. lokal mit der primären Caesiumuhr des INRIM verglichen. Die sich aus der Höhendifferenz von 1000 Metern ergebende...

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Die Qualität der besten Laser ist durch das Brown´sche thermische Rauschen ihrer Referenzresonatoren begrenzt. In einem Aufbau mit einem besonders rauscharmen einkristallinen Silizium Resonator bei einer Temperatur von 124 K ist es gelungen, alle sonstigen störenden technischen Einflüsse soweit zu verringern, dass jetzt eine Rekord-Instabilität von 4×10-17 erreicht werden kann, die nur noch durch...

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Durch Photoassoziationsspektroskopie an schmalen Linien in einem ultrakalten Calcium-Gas konnten wir die Bindungsenergien der schwächstgebundenen Vibrationszustände des Ca2 Moleküls bestimmen. In einer Kooperation mit Prof. Tiemann, Leibniz Universität Hannover, wurden aus diesen Daten die langreichweitigen Wechselwirkungen und die Streulänge zwischen Calcium-Atomen im Grundzustand sehr genau...

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Zur präzisen Messung des Strahldichtefaktors ist die reflektierte Strahlung so voll-ständig wie möglich zu charakterisieren, inklusive ihres Polarisationszustands. Dazu wurde das Gonioreflektometer der Arbeitsgruppe Reflexion und Transmission mit ei-ner Polarisations-Analysator-Einheit ausgestattet. Die Notwendigkeit der polarisati-onssensitiven Untersuchung wurde an Hand von Messungen an...

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Im Rahmen eines DFG-Projektes (gepris.dfg.de/gepris/projekt/258565427)
wird in Kooperation mit dem Bremer Institut für angewandte Strahltechnik ein Scher-Interferometer zur Formmessung von optischen Oberflächen entwickelt. Im Mittel-punkt der Entwicklung steht eine teilkohärente LED-Multiquellenbeleuchtung, die eine optimale Anpassung der Beleuchtung an die Prüflingsgeometrie ermöglicht. In...

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Im EMPIR-Forschungsvorhaben “ Reference algorithms and metrology on aspherical and freeform optical lenses ” werden zusammen mit dem Projektkoordinator Labo-ratoire national de métrologie et d'essais (LNE)( und 17 weiteren Partnern neue Refe-renzalgorithmen und Messverfahren zur Formmessung von Asphären und Freiform-flächen entwickelt. Innerhalb der PTB wird das Forschungsprojekt gemeinsam von den...

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Zur Charakterisierung von Sonnensimulatoren wurde ein Detektor entwickelt, der aus einer quadratischen Anordnung von 81 Einzelsolarzellen besteht. Der Detektor wurde unter Bestrahlung mit Sonnenlicht bezüglich seiner Empfindlichkeit für Bestrahlungsstärke und seiner spektralen und Homogenitätseigenschaften charakterisiert. Mit dem Detektor wurde bereits ein gepulster Sonnensimulator...

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Das Joint Research Project SIQUTE (Single-Photon Sources for Quantum Technologies) im Rahmen des Open Excellence Calls des European Metrology Research Programmes (EMRP) wurde erfolgreich angeschlossen. Das Projekt hatte das Ziel, effiziente Einzelphotonenquellen für Anwendungen in der Metrologie zu entwickeln. Das herausragende Ergebnis der PTB war die metrologische Charakterisierung einer...

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Im Rahmen des EMRP-Forschungsprojektes „Single-photon sources for quantum technologies“ (SIQUTE) wurde die Detektionseffizienz eines Si-Einzelphotonen-Avalanche -Detektors als Transfernormal mit zwei unabhängig voneinander rückgeführten Messverfahren gemessen: zum einen mit dem an der PTB entwickelten „Zwei-Abschwächer-Verfahren“, zum anderen mittels einer direkten Kalibrierung durch Vergleich mit...

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Eine bzgl. Photonenfluss absolut rückgeführte Einzelphotonenlichtquelle wurde im Rahmen des europäischen EMRP-Forschungsprojektes „Single-photon sources for quantum technologies“ (SIQUTE) zum ersten Mal realisiert und metrologisch charakterisiert. Die Einzelphotonenquelle basiert auf einem NV- (Nitrogen Vacancy-) Farbzentrum in einem Nanodiamanten, der auf einer quasi-dielektrischen...

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Um die spektrale Bestrahlungsstärke der Sonne im nahen Infrarot (NIR) hochgenau vermessen zu können, wurden Spektroradiometer des „Institut royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique“ (BIRA-IASB) direkt auf das nationale Normal der PTB für spektrale Bestrahlungsstärke, den Schwarzen Strahler rückgeführt. Anschließend konnten bei der PYR-ILIOS Messkampagne am Mauna Loa Observatory (Hawaii, USA)...

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Im Rahmen des im Metrologischen Forschungsprogramms EMRP geförderten Projekt NEWSTAR wurde experimentell die Berechenbarkeit eines berechenbaren quanteneffizienten Detektors bzgl. seines polarisations-, winkel- und bandbreitenabhängigen Verhaltens überprüft und bestätigt. Die Empfindlichkeit eines Photometers wurde schließlich gegen diesen Detektor kalibriert und das Ergebnis mit dem Wert...

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Metrologie für die Wirtschaft

Die Tilted-Wave Interferometrie ist eine vielversprechende Methode zur hochgenauen Formmessung von Asphären und Freiformen. Bei der Auswertung der Interferenz-streifen erhält man i.d.R. nur relative optische Pfadlängendifferenzen (OPD).  Zur ab-soluten Formmessung muss jedoch mindestens eine OPD absolut bekannt sein. In einer Simulationsstudie wurden die Anforderungen an die notwendige Genauigkeit...

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In der Arbeitsgruppe Solarzellen wurde erstmals mittels laserbasierter differentieller spektraler Empfindlichkeitsmessung der Kurzschlussstrom von Mehrfachschichtsolarzellen für Messbedingungen, die der Strahlung im Weltall entspricht, bestimmt. Der interne Aufbau dieser Zellen, welche aufgrund ihrer hohen Wirkungsgrade zur Stromversorgung im Weltall verwendet werden, verhindert üblicherweise den...

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Metrologie für die Gesellschaft

Seit Sommer 2016 wird die Caesiumatomuhr, von der in der Sendefunkstelle Mainflingen das mit DCF77 gesendete Signal abgeleitet wird, durch einen hochgenauen Zeitvergleich mit der in der PTB Braunschweig realisierten Zeitskala verglichen. Hierzu wurde ein zuvor in der PTB kalibrierter Empfänger für GPS- und Galileo-Signale in Mainflingen aufgebaut und die automatische Datenübertragung hierher...

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In der medizinischen Diagnostik könnte zukünftig die Analyse von sub-Mikrometer großen Mikrovesikeln eine wichtige Rolle spielen. Im Rahmen eines europäischen Forschungsprojekts (EMRP HLT02) sind Referenznanopartikel entwickelt und unter-sucht worden, mit denen klinische Laboratorien die Messgeräte prüfen und validieren können, die zur Untersuchung dieser Mikrovesikel eingesetzt werden.

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Im Rahmen einer gemeinsamen Kooperation mit der Firma Gigahertz-Optik GmbH wurde ein kompaktes Array-Spektroradiometer umfangreich charakterisiert und modifiziert. Durch Messung der direkten solaren Bestrahlungsstärke im UV-Spektralbereich konnte mit Hilfe von Strahlungsmodellen die Dicke der Ozonsäule in der Atmosphäre ermittelt werden. Die Ergebnisse, die während einer Messkampagne am Izaña...

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Im Rahmen des EMRP Projektes „ATMOZ“ wurden während einer Messkampagne am Izaña Observatorium auf Teneriffa höchstauflösende Messungen der direkten solaren spektralen Bestrahlungsstärke mit einem Fourier-Transform Spektroradiometer durchgeführt. Über die sogenannte Langley-Extrapolationsmethode konnte das relative extraterrestrische Spektrum im Spektralbereich von 305 nm – 380 nm mit einer...

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Internationale Angelegenheiten

Die Zeitvergleichsverbindungen zwischen dem United States Naval Observatory (USNO) in Washington D.C. und der PTB wurden in diesem Sommer mithilfe eines transportablen Bodenterminals für Zweiweg-Satelliten-Zeitvergleiche (TWSTFT) des USNO zum wiederholten Mal kalibriert. Die Unsicherheit für Zeitvergleiche zwischen USNO und PTB von weniger als 1 ns wurde dabei zum wiederholten Mal bestätigt.

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Im Sommer 2016 organisierte die PTB eine Kampagne zur Kalibrierung der Signallaufzeiten in den für internationale Zeitvergleiche verwendeten Empfängern von GPS-Signalen der Institute DLR (IKN, Oberpfaffenhofen), METAS (Schweiz), VSL (Niederlande) und BEV (Österreich). Für insgesamt 11 Empfänger konnte eine Kalibrierunsicherheit von ca. 2.5 ns erreicht werden.

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Im Rahmen von EURAMET wurde von 14 europäischen Metrologieinstituten ein wissenschaftlicher Vergleich von Ebenheitsmessgeräten durchgeführt. Als Prüfling diente eine optische Planfläche, deren Oberflächenform auf einer Kreisfläche mit einem Durchmesser von maximal 150 mm gemessen wurde. Aus den Messergebnissen wurde die mittlere Oberflächenform bestimmt, wobei die unterschiedlichen lateralen...

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