Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Fontänen-Atomuhren werden noch genauer

20.06.2007
Wissenschaftler der PTB haben herausgefunden, wie sich ein wichtiger Unsicherheitsfaktor bei den derzeit genauesten Atomuhren vermeiden lässt

Bisher dachte man, die Genauigkeit der derzeit besten Atomuhren, der Caesium-Fontänen, könne nicht mehr wesentlich gesteigert werden. Das stimmt nicht mehr.

Mit einer Reihe von Experimenten an ihrer Fontänen-Atomuhr CSF1 haben Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig einen bisher unbekannten Effekt im Zusammenhang mit den wechselseitigen Stößen der Caesiumatome in der Uhr gefunden. Die Ergebnisse, die in Zusammenarbeit mit britischen und US-amerikanischen Kollegen erzielt und in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurden, ermöglichen eine deutliche Verbesserung von Caesium-Fontänenuhren.

Im internationalen Einheitensystem (SI) ist die Sekunde über einen bestimmten Mikrowellenübergang zwischen zwei internen Energiezuständen des Caesiumatoms festgelegt. In einer Caesium-Fontänenuhr, dem besten heute verfügbaren Typ einer primären Atomuhr, helfen Laserstrahlen, die Caesiumatome in einer kleinen Wolke einzufangen und abzukühlen; danach wird die Atomwolke etwa einen Meter hoch nach oben geworfen, bevor sie wieder herunterfällt. Während dieser Freiflugphase kann die Übergangsfrequenz mit höchster Präzision bestimmt werden. Heutige Fontänenuhren stellen die Länge der SI-Sekunde mit einer Genauigkeit von 15 Stellen hinter dem Komma dar.

Entscheidend für den Betrieb jeder primären Atomuhr ist, dass alle Effekte, die möglicherweise die Resonanzfrequenz der Atome verändern könnten, im Detail verstanden sind, sodass die daraus resultierenden Frequenzverschiebungen vermieden oder korrigiert werden können. Eine wesentliche Korrektur bei einer Caesium-Fontänenuhr wird wegen der wechselseitigen Stöße der kalten Atome in der Wolke erforderlich. Im Allgemeinen hat die begrenzte Genauigkeit, mit der diese Korrektur durchgeführt werden kann, einen großen Anteil an der gesamten Restunsicherheit der aus einer Fontänenuhr abgeleiteten Sekundendauer.

Jetzt ist eine neue Methode entwickelt worden, mit der die stoßinduzierte Frequenzverschiebung von vorneherein vermieden werden kann. Diese Methode ist Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern der PTB, des National Physical Laboratory (NPL) in Großbritannien und des National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA. Sie wurde an den Caesium-Fontänenuhren PTB-CSF1 und NPL-CsF1 entwickelt. Durch eine leichte Anpassung der Leistung der Mikrowellenstrahlung, die den Übergang im Caesiumatom anregt, lässt sich die kumulierte Stoßverschiebung von negativen zu positiven Werten verändern - oder genau zu Null machen! Das dabei ausgenutzte physikalische Prinzip hängt mit der Art und Weise zusammen, in der die Stöße zwischen den kalten Atomen sich qualitativ und quantitativ verändern, während die Atomwolke durch die Apparatur fliegt. Dieses physikalische Modell konnte von den Wissenchaftlern am NPL durch numerische Simulationen bestätigt werden, wobei von den Kollegen am NIST berechnete Daten zur Stoßphysik eingesetzt wurden.

Somit ergibt sich nun die faszinierende Perspektive des Betriebs von Caesium-Fontänenuhren bei exakt kompensierter Stoßverschiebung, sodass eine explizite Korrektur nicht mehr erforderlich ist. Zurzeit laufen weitere Untersuchungen, um die praktischen Grenzen dieses stoßverschiebungsfreien Betriebs abzustecken. Schon jetzt allerdings lässt sich absehen, dass Caesium-Fontänenuhren erheblich leistungsfähiger werden, als man das bisher für möglich gehalten hatte.

Die Originalveröffentlichung:
Cancellation of the Collisional Frequency Shift in Caesium Fountain Clocks.
K. Szymaniec, W. Chalupczak, E. Tiesinga, C.J. Williams, S. Weyers, and R. Wynands.Physical Review Letters 98, 153002 (2007)
Ansprechpartner:
Dr. Robert Wynands,
PTB-Arbeitsgruppe Zeitnormale,
Tel. (0531) 592-4414
E-Mail: time@ptb.de

Erika Schow | idw
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de/

Weitere Berichte zu: Atom Atomuhr Caesium-Fontänenuhr Caesiumatom Fontänen-Atomuhr

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft
24.05.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten