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Panoramablick in die Uhrenhalle der PTB mit den vier Caesiumuhren CS1, CS2, CSF1 und CSF2.

Zeit und Frequenz

Fachbereich 4.4

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Aufgaben

Hauptaufgabe des Fachbereichs ist die Realisierung und Weitergabe der Einheit der Zeit (Sekunde), sowie die Darstellung und Verbreitung der gesetzlichen Zeit in der Bundesrepublik Deutschland.

Die Sekunde ist definiert durch das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von 133Cs-Atomen entsprechenden Strahlung. Für die Realisierung und Weitergabe der Zeiteinheit werden Cs-Atomuhren als primäre Normale für Zeit und Frequenz entwickelt und betrieben. Sie haben in den vergangenen Jahrzehnten als genaueste Uhren der Welt die internationale Atomzeit TAI maßgeblich beeinflusst.

Die PTB betreibt vier primäre Cs-Uhren, mit denen die Zeiteinheit realisiert wird: Zwei Uhren mit thermischem Atomstrahl (CS1 und CS2) und zwei Uhren mit lasergekühlten Atomen (Cs-Fontänenuhren CSF1 und CSF2), deren Unsicherheit die der thermischen Cs-Uhren um etwa einen Faktor 10 unterschreitet. Ihre relative Frequenz-Unsicherheit ist besser als 1.10-15. Diese Uhren  bilden die Grundlage für die gesetzliche Zeit in Deutschland. Die Weitergabe der gesetzlichen Zeit an die Bevölkerung und an Nutzer in Industrie, Wirtschaft und Forschung erfolgt über den Langwellensender DCF77, das Internet, einen Telefonzeitdienst und über Satellitenverbindungen.

Atomuhren der nächsten Generation werden wahrscheinlich Übergänge von Atomen und Ionen im optischen Spektralbereich nutzen. Im Fachbereich entwickeln wir optische Frequenznormale auf der Basis eines einzelnen gespeicherten Ytterbium-Ions und die Methoden, die optischen Frequenzen fehlerfrei auf elektronisch zählbare Frequenzen und 1-Sekunden-Impulse zu übertragen.

Wir erwarten, dass Übergänge in Atomkernen noch besser von Störungen durch die Umgebung abgeschirmt sind, als die gegenwärtig benutzten Übergänge in der Elektronenhülle. Für optische Atomuhren der Zukunft untersuchen wir daher einen Kernübergang von 229Th, der im ultravioletten Spektralbereich liegt.

Die Arbeit des Fachbereichs wird ergänzt durch Forschung im Bereich der Präzisions-Zeitübertragungstechniken und durch Tests grundlegender physikalischer Theorien durch hochgenaue Frequenzmessungen. Diese Arbeiten werden unterstützt im Rahmen mehrerer internationaler Projekte und durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Der Fachbereich beteiligt sich an der Validierung und Steuerung der Zeitskala des europäischen Satelliten-Navigationssystems Galileo und an der Vorbereitung der ESA-Mission ACES (Atomic Clock Ensemble in Space).