Elimination der Frequenzverschiebung durch kalte Stöße von Cäsium-Fontänenuhren

Einer der dominierenden Beiträge zur Gesamtunsicherheit einer Caesium-Fontäne rührt von der Frequenzverschiebung aufgrund von Stößen zwischen den kalten Caesiumatomen her. Diese wird üblicherweise für verschiedene Dichten bestimmt, um dann auf den Frequenzwert für Dichte Null extrapoliert zu werden [1].

In Zusammenarbeit mit einer Gruppe vom britischen National Physical Laboratory und mit theoretischer Unterstützung einer Gruppe vom National Institute for Standards and Technology in Gaithersburg (USA) konnte gezeigt werden, dass neben der atomaren Dichte ein weiterer Parameter die Stoßverschiebung in einer Caesium-Fontäne beeinflusst: Zwischen den beiden Durchquerungen des Mikrowellenresonators befinden sich die Atome in einer kohärenten Überlagerung der beiden Hyperfein-Grundzustände. Das Verhältnis V der Gewichte der beiden Grundzustände im Überlagerungszustand kann über die Wahl der Mikrowellenamplitude im Resonator gesteuert werden. Die an zwei unterschiedlichen Fontänen in Großbritannien und Deutschland durchgeführten Experimente ergaben nun, dass die Stoßverschiebung linear vom Verhältnis V abhängt (s. Abbildung).

Der Grund liegt darin, dass die Stoßverschiebungen der beiden Grundzustände für sich alleine genommen bei sehr kleinen atomaren Temperaturen signifikant voneinander abweichen, so dass es bei geeigneter Temperatur und Anfangsgröße der Atomwolke in einer Fontäne sogar möglich ist, ein Verhältnis V einzustellen, bei dem die Gesamtstoßverschiebung Null wird. Wie aus der Abbildung ersichtlich, ist das unter den gegenwärtigen Betriebsbedingungen der Fontäne CSF1 bei einem Verhältnis V = 0.3 der Fall. Mit diesen Erkenntnissen ergeben sich neue Möglichkeiten einerseits für die Erklärung in der Vergangenheit festgestellter Unstimmigkeiten beim Betrieb von Fontänen und andererseits für eine andersartige Betriebsweise von Fontänen, mit dem Ziel eines verringerten Unsicherheitsbeitrags aufgrund kalter Stöße.

Durch kalte Stöße verursachte relative Frequenzverschiebung als Funktion des Verhältnisses V der Grundzustandsbesetzung nach der ersten Wechselwirkung im Resonator, gemessen mit der Fontäne CSF1. Die Gerade gibt eine lineare Anpassung an die Datenpunkte wieder.

Literatur:

[1] R. Wynands, S. Weyers, Atomic fountain clocks, Metrologia 42(3), S64-S79 (2005)