Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Genauer messen in kurzer Zeit

10.02.2016

Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben die Rauschprozesse in ihrer optischen Gitteruhr mit neutralen Strontiumatomen ausführlich analysiert. Diese Analyse belegt, dass ihre optische Atomuhr dank eines neu entwickelten, extrem frequenzstabilen Lasersystems die weltweit höchste Stabilität erreicht. Damit sind hochpräzise Messungen in kürzerer Zeit möglich und die zukünftige Reduzierung der Gesamtmessunsicherheit auf wenige Teile in 1E18 wird erheblich erleichtert.

Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben die Rauschprozesse in ihrer optischen Gitteruhr mit neutralen Strontiumatomen ausführlich analysiert. Diese Analyse belegt, dass ihre optische Atomuhr dank eines neu entwickelten, extrem frequenzstabilen Lasersystems die weltweit höchste Stabilität erreicht. Damit sind hochpräzise Messungen in kürzerer Zeit möglich und die zukünftige Reduzierung der Gesamtmessunsicherheit auf wenige Teile in 1E18 wird erheblich erleichtert.


Rauschbeiträge der Strontiumgitteruhr als Funktion der Atomanzahl. Das vorhergesagte Gesamtrauschen bei unterdrückten Frequenzrauschen des Abfragelasers (grüne Linie) wird durch experimentelle Daten (grüne Kreise) bestätigt. Das Quantenprojektionsrauschen (blaue Linie) dominiert bereits ab geringen Atomzahlen. (Abb.: PTB)

Optische Uhren stoßen in der Forschung auf immer größeres Interesse. Sie könnten die SI-Basiseinheit Sekunde in Zukunft mit noch größerer Genauigkeit realisieren und damit die bisherige Definition, die auf der Wechselwirkung von Mikrowellenstrahlung mit Cäsium-Atomen beruht, ablösen.

Mögliche Anwendungen höchstpräziser Uhren erstrecken sich jedoch über einen weiten Bereich: von der Geodäsie, wo sie eine direkte und genauere Messung des Gravitationspotenzials der Erde ermöglichen, bis hin zur Erforschung der „großen Fragen“ der modernen Physik wie der Vereinheitlichung der fundamentalen Wechselwirkungen, indem durch Vergleiche verschiedener Uhren nach möglichen Änderungen von Naturkonstanten, etwa der Feinstrukturkonstanten, gesucht wird.

Genauigkeit und Stabilität optischer Uhren beruhen ganz wesentlich darauf, dass die Frequenz der verwendeten optischen Strahlung um mehrere Größenordnungen über jener der Mikrowellenstrahlung, die in Cäsium-Atomuhren verwendet wird, liegt und somit als Taktgeber von viel höherer Güte fungiert.

In einer Strontium-Atomuhr wird 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 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 Unter-brechungen 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 einer der frequenzstabilsten Resonatoren der Welt konstruiert. Dank einer Länge von 48 cm und ausgeklügelter thermischer und mechanischer Isolation gegenüber seiner Umgebung erreicht er eine relative Frequenzinstabilität von 8E-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 ließ sich für den normalen Betrieb eine relative Instabilität von 1,6E-16/τ1/2 als Funktion der Mittelungsdauer τ in Sekunden ableiten. Dies ist der beste bislang für eine Atomuhr publizierte Wert. Es ist zu erwarten, dass die zukünftige Reduzierung der relativen Gesamtunsicherheit der Strontiumuhr auf wenige 1E-18 dadurch erheblich vereinfacht wird.
(es/ptb)

Ansprechpartner:
Sören Dörscher, PTB-Arbeitsgruppe „Optische Gitteruhren“, Telefon: (0531) 592-4322
E-Mail: soeren.doerscher@ptb.de

Die wissenschaftliche Veröffentlichung:
A. Al-Masoudi, S. Dörscher, S. Häfner, U. Sterr, Ch. Lisdat: Noise and instability of an optical lattice clock. Physical Review A 92, 063814 (2015)

Weitere Informationen:

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

Dipl.-Journ. Erika Schow | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Wie Proteine Zellmembranen verformen

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor Oliver Daumke vom MDC erforscht. Er und sein Team haben nun aufgeklärt, wie sich diese Proteine auf der Oberfläche von Zellen zusammenlagern und dadurch deren Außenhaut verformen.

Zellen schnüren regelmäßig kleine Bläschen von ihrer Außenhaut ab und nehmen sie in ihr Inneres auf. Daran sind die EHD-Proteine beteiligt, die Professor...

Im Focus: Safe glide at total engine failure with ELA-inside

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded after a glide flight with an Airbus A320 in ditching on the Hudson River. All 155 people on board were saved.

On January 15, 2009, Chesley B. Sullenberger was celebrated world-wide: after the two engines had failed due to bird strike, he and his flight crew succeeded...

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

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...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Poseidon goes Politics – Wer oder was regiert die Ozeane?

27.02.2017 | Veranstaltungen

Fachtagung Rapid Prototyping 2017 – Innovationen in Entwicklung und Produktion

27.02.2017 | Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Herz-Untersuchung: Kontrastmittel sparen mit dem Mini-Teilchenbeschleuniger

27.02.2017 | Medizintechnik

Neue Maßstäbe für eine bessere Wasserqualität in Europa

27.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wenn der Schmerz keine Worte findet - Künstliche Intelligenz zur automatisierten Schmerzerkennung

27.02.2017 | Medizintechnik