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Vergleich zwischen zwei optischen 171Yb+-Frequenznormalen mit sub-Hertz-Genauigkeit

31.12.2005

Optische Einzelionen-Frequenznormale haben das Potential, die heutigen Mikrowellen-Atomuhren hinsichtlich Genauigkeit und Stabilität erheblich zu übertreffen. Die Laserkühlung eines Ions in einer Hochfrequenzfalle reduziert Verschiebungen der atomaren Übergangsfrequenz durch das Fallenfeld und durch die Bewegung im Speicherpotential auf einige Millihertz. Dies entspricht einer relativen Verschiebung von weniger als 10-17. Größere Frequenzverschiebungen im Bereich von 10-15 können sich allerdings durch die Wechselwirkung des atomaren Quadrupolmoments mit dem Gradienten des elektrostatischen Streufeldes in der Falle ergeben.

Im direkten Vergleich zwischen zwei Normalen, die auf dem 688 THz-Referenzübergang von 171Yb+ (Wellenlänge 436 nm) basieren, wurde nun erstmals eine obere Grenze für die Streufeld-induzierte Quadrupolverschiebung bestimmt. Darüber hinaus lieferten diese Messungen auch genaue Informationen über das Quadrupolmoment und die elektrische Polarisierbarkeit des Yb+-Ions in den relevanten Energieniveaus [1]. Die hohe Kurzzeitstabilität der 171Yb+-Normale machte es möglich, innerhalb einer Messzeit von einer Viertelstunde eine statistische Unsicherheit von ca. 0,4 Hz zu erreichen. Auch mit den stabilsten bekannten Mikrowellen-Frequenznormalen wären Mittelungszeiten von vielen Stunden erforderlich, um eine entsprechende Relativunsicherheit von 6·10-16 zu erreichen.

Die Quadrupol-Verschiebung hängt auf charakteristische Weise von der Orientierung des angelegten Magnetfeldes relativ zum elektrischen Feldgradienten ab. Insbesondere addieren sich die für drei zueinander senkrechte Magnetfeldrichtungen auftretenden Verschiebungen zu Null. Die Abbildung zeigt die zwischen den beiden 171Yb+-Normalen beobachtete Frequenzdifferenz für verschiedene Feldorientierungen in beiden Fallen. Die Variation der Messwerte ist offensichtlich nicht größer als die durch die Unsicherheitsbalken angegebene statistische Messunsicherheit. Dies legt die Schlussfolgerung nahe, dass die Quadrupol-Verschiebung in dem durchgeführten Experiment unter 0,4 Hz lag. Der Mittelwert der Frequenzdifferenz von 0,26(42) Hz entspricht einer relativen Abweichung von nur 3,8(6,1)·10-16 und liegt damit im Bereich der besten Ergebnisse, die bisher bei Experimenten zur Reproduzierbarkeit atomarer Frequenznormale erreicht wurden.


Zwischen den 171Yb+-Frequenznormalen beobachtete Frequenzdifferen Δ bei verschiedenen Magnetfeldorientierungen (i, j) in den beiden Ionenfallen. Die Orientierungen i, j = 1, 2, 3 sind jeweils näherungsweise zueinander senkrecht, j = 4 bezeichnet die in einer Falle zur Messung des atomaren Quadrupolmoments eingestellte Orientierung. Die Messwerte sind korrigiert in Bezug auf unterschiedliche quadratische Zeeman-Verschiebungen von maximal 0,5 Hz. Die durchgezogene horizontale Linie entspricht dem Mittelwert <Δ>= 0,26 Hz, die Unsicherheitsbalken bezeichnen die statistische Unsicherheit der Einzelmessungen und die gestrichelten Linien die mittlere statistische Messunsicherheit. Die Darstellung entspricht der zeitlichen Reihenfolge der Messungen.


Literatur:

[1] T. Schneider, E. Peik, Chr. Tamm, Sub-Hertz Optical Frequency Comparison between Two Trapped 171Yb+ Ions, Phys. Rev. Lett. 94, 230801 (2005).