Hyper-Ramsey-Anregung macht optische Atomuhren genauer

  • 23. November 2012

Neues Verfahren zur ungestörten Laseranregung von Atomen und Molekülen verwendet gepulstes Licht.

Die präziseste Information über die innere Struktur von Atomen und Molekülen erhalten Forscher durch die Anregung mit resonantem Laserlicht. Leider kann eben jenes – sofern es intensiv ist – zu messbaren Veränderungen innerhalb der Atomhülle führen. Wie sich solche „Lichtverschiebungen“ vermeiden lassen, haben Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) jetzt experimentell gezeigt. Damit bestätigten sie die bereits theoretisch vorhergesagten Vorteile der Hyper-Ramsey-Anregung. Mit dieser Methode können sie ihre optische Atomuhr mit Ytterbium-Ionen noch genauer machen. Darüber hinaus wird sie in vielen Anwendungen hilfreich sein, bei denen es auf eine präzise kontrollierte Wechselwirkung zwischen Atomen und Laserlicht ankommt.

Die ungestörte Anregung eines einzelnen Ions in einer Falle gelingt mittels einer Hyper-Ramsey-Pulsfolge

Abb.: Die ungestörte Anregung eines einzelnen Ions in einer Falle gelingt mittels einer Hyper-Ramsey-Pulsfolge. (Bild: PTB)

Lichtverschiebung bedeutet, dass intensives Laserlicht die Lage der atomaren Energieniveaus verändert; die Verschiebung ist von der Intensität und Wellenlänge des verwendeten Lasers abhängig. Ist man an den Eigenschaften des Atoms als einem ungestörten Quantenobjekt interessiert, so muss man diese Verschiebung vermeiden oder korrigieren. Bei dem neuen Verfahren, das in der PTB jetzt erstmals experimentell eingesetzt wurde, beseitigt eine geschickt gewählte Folge von Laserpulsen zur Anregung des Atoms den störenden Effekt der Lichtverschiebung.

Die Grundidee, für präzise Messungen gepulste Strahlung zu verwenden, geht zurück auf Norman Ramsey, der dafür 1989 den Physik-Nobelpreis erhielt. Bei dieser Methode schickt man einen ersten Laserpuls auf das Atom, der dort eine resonante Anregung startet. Anschließend läuft die in der Elektronenhülle des Atoms angeregte Schwingung „im Dunkeln“ ungestört weiter, bis schließlich ein zweiter Laserpuls den Vergleich zwischen der Resonanzfrequenz des Atoms und der Laserfrequenz abschließt. Eine ähnliche Vorgehensweise ist auch als Uhrenvergleich geläufig: Zwei Uhren werden zu einem gewissen Zeitpunkt gleich gestellt, dann für einen längeren Zeitraum laufen gelassen und abschließend wieder verglichen. Das Ergebnis zeigt dann, welche Uhr schneller bzw. langsamer als die andere gelaufen ist.

Das Signal der Ramsey-Anregung enthält durch die Dunkelphase zwischen den Laserpulsen eine Mittelung über die Lage der Zustände des Atoms mit und ohne Lichtverschiebung. Im Prinzip ließe sich die Lichtverschiebung kompensieren, indem die Laserfrequenz während der Pulse – und nur während der Pulse! – um genau diese Größe verändert wird. Damit wäre praktisch aber nicht viel gewonnen, da die präzise Information über die Störung des Atoms bereits vorab bekannt sein müsste. Um dieses Problem zu lösen, hat bereits 2010 eine Gruppe von Wissenschaftlern eine Methode vorgeschlagen, die sie Hyper-Ramsey-Anregung nannte. Diese theoretische Überlegung ist jetzt erstmals experimentell bestätigt worden. Dabei haben die Forscher in die Dunkelphase ein dritter Laserpuls gleicher Intensität und gleicher Frequenz aber invertierter Phase eingefügt. Er kompensiert automatisch mögliche Fehler, die sich durch eine Fehleinschätzung in der Größe der Lichtverschiebung und kleine Schwankungen in der Laserintensität während der Lichtpulse ergeben können.

Die experimentelle Realisierung der Hyper-Ramsey-Anregung gelang an einem atomaren Übergang, der es erlaubt, sehr kleine Frequenzänderungen nachzuweisen, und der gleichzeitig eine große Lichtverschiebung aufweist, da zu seiner Anregung eine hohe Laserintensität benötigt wird. Es handelt sich um einen elektrischen Oktupolübergang im Yb+-Ion, der in der PTB als Basis einer optischen Uhr untersucht wird. Das Experiment konnte die theoretischen Vorhersagen über die Vorteile der Hyper-Ramsey-Anregung bestätigen und erreichte eine zehntausendfache Unterdrückung der Lichtverschiebung. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, mit der optischen Yb+-Uhr eine noch höhere Genauigkeit zu erreichen. Und auch für andere Forscher, die an einer präzise kontrollierten Wechselwirkung zwischen Atomen und Laserlicht interessiert sind, etwa im Gebiet der Quanten-Informationsverarbeitung, dürfte die Methode interessant sein.

PTB / OD

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