Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues „Pendel“ für die Ytterbium-Uhr

01.03.2012
Ein nur schwer anzuregender Übergang im Ytterbium-Ion ermöglicht eine extrem hohe Genauigkeit

Je schneller eine Uhr tickt, desto genauer kann sie sein. Weil Lichtwellen schneller schwingen als Mikrowellen, können optische Uhren genauer sein als die Cäsium-Atomuhren, die derzeit weltweit die Zeit bestimmen.


Die Ionenfalle der Ytterbium-Uhr in der PTB.
Foto: PTB

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) arbeitet gleich an mehreren solcher optischen Uhren. Das Modell mit einem einzelnen, in einer Ionenfalle gefangenen Ytterbium-Ion bekommt jetzt einen weiteren Genauigkeitsschub. In der PTB ist es gelungen, einen quantenmechanisch stark „verbotenen“ Übergang dieses Ions anzuregen und vor allem auch extrem genau zu messen. Die darauf basierende optische Uhr ist auf 17 Stellen hinter dem Komma genau. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Optische Übergänge sind das moderne Pendant zum Pendel einer mechanischen Uhr. Bei Atomuhren ist das „Pendel“ jene Strahlung, die den Übergang zwischen zwei atomaren Zuständen unterschiedlicher Energie anregt. Sie liegt bei Cäsium-Atomuhren im Mikrowellenbereich, bei optischen Uhren im Bereich von Laserlicht, sodass deren „Pendel“ also schneller schwingt und die optischen Uhren folgerichtig als Atomuhren der Zukunft gelten.

Bei dem Experiment in der PTB haben die Wissenschaftler sich einem besonderen verbotenen Übergang gewidmet. „Verboten“ bedeutet in der Quantenmechanik, dass der Sprung zwischen den beiden Energiezuständen des Atoms wegen der Erhaltung von Symmetrie und Drehimpuls nahezu unmöglich ist. Der angeregte Zustand kann dann sehr langlebig sein: Im hier untersuchten Fall beträgt die Lebensdauer des sogenannten F-Zustands im Ytterbium-Ion Yb+ etwa sechs Jahre. Wegen dieser langen Lebensdauer lässt sich bei der Laseranregung dieses Zustands eine äußerst schmale Resonanz beobachten, die in ihrer Linienbreite nur von der Qualität des verwendeten Lasers abhängt. Eine schmale Resonanzlinie ist eine wichtige Voraussetzung für eine genaue optische Uhr. Am britischen National Physical Laboratory (NPL), dem Schwesterinstitut der PTB, ist bereits 1997 erstmalig die Laseranregung dieses Yb+-F-Zustands vom Grundzustand gelungen. Da der Übergang jedoch stark verboten ist, wird zu seiner Anregung eine relativ hohe Laserintensität benötigt. Dies stört die Elektronenstruktur des Ions insgesamt und führt zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz, sodass eine darauf basierende Atomuhr einen von der Laserintensität abhängigen Gang aufweisen würde.

In der PTB konnte jetzt gezeigt werden, dass sich durch abwechselnde Anregung des Ions mit zwei unterschiedlichen Laserintensitäten die unbeeinflusste Resonanzfrequenz sehr genau bestimmen lässt. Dadurch wurde es möglich, andere in Atomuhren häufig auftretende Frequenzverschiebungen – z. B. durch elektrische Felder oder die Wärmestrahlung der Umgebung – zu untersuchen. Es zeigte sich, dass diese im Fall des Yb+-F-Zustands unerwartet klein sind, was auf die besondere elektronische Struktur des Zustands zurückzuführen ist. Das bildet einen entscheidenden Vorteil für die Weiterentwicklung dieser Atomuhr. Bei den Experimenten in der PTB wurde die relative Unsicherheit der Yb+-Frequenz mit 7 • 10–17 bestimmt. Dies entspricht einer Unsicherheit der Atomuhr von nur etwa 30 Sekunden über das Alter des Universums.

Beide Gruppen in NPL und PTB haben die Frequenz des Yb+-Übergangs mit ihren Cäsium-Uhren gemessen. Die Ergebnisse stimmen im Rahmen der Unsicherheiten (1 • 10–15 bzw. 8 • 10–16), die im Wesentlichen von den Cäsium-Uhren bestimmt werden, überein. In einem kürzlich bewilligten Forschungsprojekt im European Metrology Research Programme werden beide Institute mit weiteren europäischen Partnern in Zukunft noch intensiver bei der Entwicklung dieser optischen Uhr zusammenarbeiten. Beim Yb+-Ion ist von besonderem Interesse, dass es gleich zwei für optische Uhren geeignete Übergänge besitzt: Weniger stark verboten, aber ebenfalls sehr präzise lässt sich die Anregung des D-Niveaus bei 436 nm Wellenlänge nutzen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, durch Frequenzvergleiche der beiden Übergänge in einem Ion die Genauigkeit der optischen Uhr zu untersuchen, ohne Bezug auf eine Cäsium-Uhr nehmen zu müssen.

es/ptb

Wissenschaftliche Veröffentlichungen
PTB-Experiment:
N. Huntemann et al.: High-accuracy optical clock based on the octupole transition in 171Yb+.

Phys. Rev. Lett. 108, 090801 (2012)

NPL-Experiment:
S. A. King et al.: Absolute frequency measurement of the 2S1/2 – 2F7/2 electric octupole transition in a single ion of 171Yb+ with 10-15 fractional uncertainty. New J. Phys. 14, 013045 (2012)
Ansprechpartner
Dr. Ekkehard Peik, PTB-Fachbereich 4.4 Zeit und Frequenz,
Tel. (0531) 592-4400, E-Mail: ekkehard.peik@ptb.de

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Im Focus: Quantensensoren entschlüsseln magnetische Ordnung in neuartigem Halbleitermaterial

Physiker konnte erstmals eine spiralförmige magnetische Ordnung in einem multiferroischen Material abbilden. Diese gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Datenspeicher. Der Nachweis gelang den Forschern mit selbst entwickelten Quantensensoren, die elektromagnetische Felder im Nanometerbereich analysieren können und an der Universität Basel entwickelt wurden. Die Ergebnisse von Wissenschaftlern des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel sowie der Universität Montpellier und Forschern der Universität Paris-Saclay wurden in der Zeitschrift «Nature» veröffentlicht.

Multiferroika sind Materialien, die gleichzeitig auf elektrische wie auch auf magnetische Felder reagieren. Die beiden Eigenschaften kommen für gewöhnlich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungen

Biowissenschaftler tauschen neue Erkenntnisse über molekulare Gen-Schalter aus

19.09.2017 | Veranstaltungen

Zwei Grad wärmer – und dann?

19.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Zentraler Schalter der Immunabwehr gefunden

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Materialchemie für Hochleistungsbatterien

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie