Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Weltweit genaueste optische Einzelionen-Uhr

10.02.2016

Als erste Forschergruppe weltweit haben Atomuhren-Spezialisten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) jetzt eine optische Einzelionen-Uhr gebaut, die eine bisher nur theoretisch vorhergesagte Genauigkeit erreicht. Ihre optische Ytterbium-Uhr erreichte eine relative systematische Messunsicherheit von 3 E-18. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Als erste Forschergruppe weltweit haben Atomuhren-Spezialisten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) jetzt eine optische Einzelionen-Uhr gebaut, die eine bisher nur theoretisch vorhergesagte Genauigkeit erreicht.


Schema: 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 Ínfrarotlaser, roter Strahl) und dies lässt sich mithilfe des Uhrenlasers messen. (Abb.: PTB)


Die Hochfrequenzfalle der optischen Ytterbium-Einzelionen-Uhr der PTB. (Foto: PTB)

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 E-18 erreichen kann. Seitdem haben weltweit immer mehr Forschergruppen versucht, dies 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 E-18. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Die Definition und Darstellung der SI-Zeiteinheit Sekunde beruht gegenwärtig auf Cäsium-Atomuhren. Ihr „Pendel“ sind Atome, die von Mikrowellenstrahlung (1 E10 Hz) zu Resonanz angeregt werden. Es gilt als sicher, dass eine zukünftige Neudefinition der SI-Sekunde auf einer optischen Atomuhr beruhen wird. Bei ihnen ist die Anregungsfrequenz wesentlich höher (1 E14 bis 1 E15 Hz), sodass diese Uhren erheblich stabiler und genauer arbeiten können als Cäsium-Uhren.

Die jetzt mit der Ytterbium-Uhr erreichte Genauigkeit ist ungefähr 100-fach besser als die der besten Cäsium-Uhren. 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 sogenannten F-Zustand, der wegen seiner extrem langen natürlichen Lebensdauer (ca. 6 Jahre) 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 3 % bestimmt. Hierfür wurden bei vier verschiedenen Wellenlängen im Infrarotbereich die von Laserlicht erzeugte Frequenzverschiebung und seine Intensitätsverteilung am Ort des Ions gemessen.

Eine weitere besondere Eigenschaft des F-Zustands von Yb+ ist die empfindliche Abhängigkeit der Zustandsenergie vom Wert der Feinstrukturkonstante (der elementaren Naturkonstante der elektromagnetischen Wechselwirkung) und von Anisotropie-Effekten in der Wechselwirkung zwischen Elektronen und einigen potenziellen Formen der sogenannten Dunklen Materie, die eine wichtige Rolle im gegenwärtigen kosmologischen Standardmodell spielt. Vergleiche zwischen Yb+-Uhren und mit anderen hochgenauen optischen Uhren sind derzeit wahrscheinlich der erfolgversprechendste Weg, Theorien aus diesem Bereich der „Neuen Physik“ im Labor zu überprüfen.
(es/ptb)

Ansprechpartner:
Dr. Christian Tamm, Senior Scientist, Fachbereich 4.4, Fachgebiet „Optische Frequenznormale“, Telefon: (0531) 592-4415, E-Mail: christian.tamm@ptb.de

Die wissenschaftliche Veröffentlichung:
N. Huntemann, C. Sanner, B. Lipphardt, Chr. Tamm, E. Peik: Single ion atomic clock with 3 E-18 uncertainty. Phys. Rev. Lett. 116, 063001 (2016)

Weitere Informationen:

http://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/journalisten/presseinformationen/presseinf...

Erika Schow | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Meeresforschung in Echtzeit verfolgen
22.02.2017 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

nachricht Weniger Sauerstoff in allen Meeren
16.02.2017 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Im Focus: Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des Wärmetransportes

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

6. Internationale Fachkonferenz „InnoTesting“ am 23. und 24. Februar 2017 in Wildau

22.02.2017 | Veranstaltungen

Wunderwelt der Mikroben

22.02.2017 | Veranstaltungen

Der Lkw der Zukunft kommt ohne Fahrer aus

21.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ursache für eine erbliche Muskelerkrankung entdeckt

22.02.2017 | Medizin Gesundheit

Möglicher Zell-Therapieansatz gegen Zytomegalie

22.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Meeresforschung in Echtzeit verfolgen

22.02.2017 | Geowissenschaften