Einfluss von Störfeldern auf die Genauigkeit von Atomuhren

Im Rahmen vertiefter Untersuchungen systematischer Unsicherheiten bei der PTB-Fontäne CSF1 wurden die Effekte von Mikrowellen-„Leckfeldern“, das sind unerwünschte Mikrowellenfelder, die außerhalb der eigentlichen Mikrowellen-Bestrahlungszonen (Resonator) einer Atomuhr mit den Atomen wechselwirken, im Detail geklärt [1].

Durch Einstrahlung von Mikrowellen-Testfeldern in Bereiche außerhalb des Resonators wurde experimentell die Phasen- und Amplitudenabhängigkeit der durch Leckfelder erzeugten Frequenzverschiebungen bestimmt. Die unterschiedlichen Einflüsse von Leckfeldern während der bei der PTB-Fontäne CSF1 kritischen Zeitphasen, einerseits zwischen den zwei Wechselwirkungen im Resonator, andererseits nach der zweiten Wechselwirkung, wurden dazu getrennt untersucht. Die gewonnenen experimentellen Ergebnisse ließen sich durch ein theoretisches Modell beschreiben, das auf der iterativen Lösung der Bloch-Gleichungen beruht. Die mit der Fontäne gewonnen Erkenntnisse lassen sich ohne weiteres auf thermische Atomuhren übertragen.

Überdies konnte erstmalig experimentell und theoretisch gezeigt werden, dass die Aufweitung der Atomwolke zwischen den beiden Wechselwirkungen dazu führt, dass der frequenzverschiebende Effekt von Leckfeldern während dieser Zeit weniger stark durch die zeitliche Symmetrie der Trajektorien und Wechselwirkungen unterdrückt wird, als bisher allgemein angenommen wurde. Dieser neu gefundene Effekt führt außerdem dazu, dass Leckfelder, die ihren Ursprung im Resonator haben, unter bestimmten Bedingungen in einer Fontäne zu Frequenzverschiebungen führen, die nicht proportional zur Amplitude, sondern zum Quadrat der Amplitude des in den Resonator eingestrahlten Mikrowellenfeldes sind. Dieser neue Befund ist von signifikanter Bedeutung für die Abschätzung des durch mögliche Leckfelder bedingten Unsicherheitsbeitrags bei der Realisierung der SI-Sekunde in Fontänenuhren.

Literatur:

[1] S. Weyers, R. Schröder, R. Wynands, Effects of microwave leakage in caesium clocks: theoretical and experimental results, in: Proceedings of the 20th European Frequency and Time Forum (EFTF), Braunschweig, März 2006, 173-180