Doppelter Uhren-Rekord

  • 12. February 2016

Weltweit genaueste optische Einzelionen-Uhr – und die stabilste optische Atom­uhr der Welt.

Atomuhr-Spezialisten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt haben eine optische Einzelionen-Uhr gebaut, die eine bisher nur theoretisch vorhergesagte Genauigkeit erreicht. Der spätere Nobelpreisträger Hans Dehmelt hatte 1981 die grundlegenden Ideen entwickelt, wie sich mit einem in einer Hochfrequenzfalle gespeicherten Ion eine Uhr bauen lässt, die eine – damals unglaublich kleine – relative Messunsicherheit im Bereich von 10–18 erreichen kann. Seitdem haben weltweit Forschergruppen versucht, dieses mit optischen Atomuhren – entweder auf der Basis einzelner gespeicherter Ionen oder vieler neutraler Atome – zu realisieren. Für die Einzelionen-Uhr sind die PTB-Wissenschaftler jetzt die ersten, die die Ziellinie überschritten haben. Ihre optische Ytterbium-Uhr erreichte eine relative systematische Messunsicherheit von 3 × 10–18.

Atomuhr-Schema

Abb.: Messung des Ein­flus­ses der ther­mi­schen Um­ge­bungs­strah­lung auf die Fre­quenz des ge­spei­cher­ten Ions: Der Uhren­laser (blauer Strahl) regt das ge­spei­cherte Ion (gelb) mit einer spe­ziel­len Puls­sequenz an. Die Reso­nanz­fre­quenz des Ions wird durch Infra­rot­strah­lung be­ein­flusst (hier durch einen Infra­rot­laser, roter Strahl) und dies lässt sich mit­hilfe des Uhren­lasers messen. (Bild: PTB)

Bei der Entwicklung der Uhr haben sich die PTB-Forscher einige besondere atom­physi­ka­lische Eigen­schaften von Yb+ zunutze gemacht. Dieses Ion hat zwei Referenz­über­gänge, die für eine optische Uhr genutzt werden können. Der erste basiert auf der Anregung in den F-Zustand, der wegen seiner extrem langen natür­lichen Lebens­dauer eine äußerst schmale Resonanz liefert. Zusätz­lich sind wegen der beson­deren elek­tro­nischen Struktur des F-Zustands die Verschie­bungen der Resonanz­frequenz durch elek­trische und magne­tische Felder außer­ge­wöhnlich klein. Der andere Referenz­über­gang zum D3/2-Zustand zeigt größere Frequenz­ver­schiebungen und dient deshalb als empfind­licher Sensor zur Opti­mierung und Kontrolle der Betriebs­bedingungen. Vorteil­haft ist auch, dass die Wellen­längen der für die Präpa­ration und Anregung von Yb+ benö­tigten Laser in einem Bereich liegen, in dem zuver­lässige und relativ kosten­günstige Halb­leiter­laser einge­setzt werden können.

Entscheidend für den letzten Genauigkeitssprung war die Kombination von zwei Maßnahmen: Zum einen wurde für die Anregung des Referenz­über­gangs ein spezielles Verfahren ersonnen, in dem die vom Anregungslaser verursachte Lichtverschiebung der atomaren Resonanzfrequenz separat gemessen wird. Diese Information wird dann verwendet, um die Anregung des Referenzübergangs gegen die Lichtverschiebung und ihre mögliche Variation zu immunisieren. Zum anderen wurde die von der thermischen Infrarotstrahlung der Umgebung hervorgerufene Frequenzverschiebung, die für den F-Zustand von Yb+ ohnehin relativ klein ist, mit einer Messunsicherheit von nur drei Prozent bestimmt. Hierfür wurden bei vier verschiedenen Wellenlängen im Infrarotbereich die von Laserlicht erzeugte Frequenz­ver­schiebung und seine Intensitätsverteilung am Ort des Ions gemessen.

In einer weiteren Arbeit haben PTB-Forscher einen neuen Stabilitätsrekord mit einer optischen Strontium-Atomuhr aufgestellt. Genauigkeit und Stabilität optischer Uhren beruhen ganz wesentlich darauf, dass die Frequenz der verwendeten optischen Strahlung um mehrere Größenordnungen über jener der Mikrowellenstrahlung liegt, die in Cäsium-Atomuhren verwendet wird, und somit als Taktgeber von viel höherer Güte fungiert. In einer Strontium-Atomuhr wird dabei ein atomares Gas durch Laserkühlung auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgebremst. Anschließend wird ein extrem schmaler Übergang zwischen langlebigen Eigenzuständen der Atome angeregt, um die Frequenz des Anregungslasers auf jene der Atome zu stabilisieren. Die gleichzeitige Abfrage vieler Atome führt dabei zu einem besonderes hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis und somit einer hohen Stabilität.

Da nach jeder Abfrage erneut eine Atomwolke präpariert werden muss, kommt es jedoch zu Unterbrechungen bei der Beobachtung der Laser­frequenz. Der Laser selbst dient daher als Schwungrad und wird meist auf einen optischen Resonator, der die Laserfrequenz über kurze Zeiträume stabil hält, vorstabilisiert. Für die Strontiumuhr der PTB wurde eine der frequenz­stabil­sten Resonatoren der Welt konstruiert. Dank einer Länge von 48 Zentimetern und ausgeklügelter thermischer und mechanischer Isolation gegenüber seiner Umgebung erreicht er eine relative Frequenzinstabilität von 8 × 10–17.

Bei einer Analyse der einzelnen Beiträge zum Rauschen der detektierten Anregungswahrscheinlichkeit zeigte es sich, dass die Strontiumuhr bereits ab 130 Atomen das physikalisch bedingte Quantenprojektionsrauschlimit erreicht. Es resultiert aus der Zustandsmessung selbst, da jedes Atom sich nach der Anregung zunächst in einer Überlagerung der beiden Eigenzustände befindet und erst bei der Messung zufällig auf einen der beiden Zustände projiziert wird. Das daraus entwickelte Modell wurde um den bekannten Einfluss des Laserfrequenzrauschens ergänzt und seine Vorhersage durch einen Selbstvergleich der Uhr experimentell überprüft. Daraus leiteten die PTB-Wissenschaftler für den normalen Betrieb die beste bislang für eine Atomuhr publizierte relative Instabilität ab. Es ist zu erwarten, dass die zukünftige Reduzierung der relativen Gesamtunsicherheit der Strontiumuhr auf wenige 10–18 dadurch erheblich vereinfacht wird.

PTB / RK

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