Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ungestörte Anregung mit gepulstem Licht

22.11.2012
PTB präsentiert neues Verfahren zur Laseranregung von Atomen und Molekülen

Die präziseste Information über die innere Struktur von Atomen und Molekülen erhält man durch die Anregung mit resonantem Laserlicht. Leider kann eben jenes Laserlicht, (sofern es intensiv ist) zu messbaren Veränderungen innerhalb der Atomhülle führen.


Künstlerische Darstellung der Anregung eines einzelnen Ions in einer Falle durch eine „Hyper“-Ramsey-Pulsfolge. (Abb.: PTB)

Wie man solche „Lichtverschiebungen“ vermeiden kann, haben Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) jetzt experimentell gezeigt. Damit bestätigten sie die bereits theoretisch vorhergesagten Vorteile der „Hyper“-Ramsey-Anregung. Mit dieser Methode können sie ihre optische Atomuhr mit Ytterbium-Ionen noch genauer machen.

Darüber hinaus wird die „Hyper“-Ramsey-Anregung in vielen Anwendungen hilfreich sein, bei denen es auf eine präzise kontrollierte Wechselwirkung zwischen Atomen und Laserlicht ankommt. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

„Lichtverschiebung“ bedeutet, dass intensives Laserlicht die Lage der atomaren Energieniveaus verändert; die Verschiebung ist von der Intensität und Wellenlänge des verwendeten Lasers abhängig. Ist man an den Eigenschaften des Atoms als einem ungestörten Quantenobjekt interessiert, so muss man diese Verschiebung vermeiden oder korrigieren. Bei dem neuen Verfahren, das in der PTB jetzt erstmals experimentell eingesetzt wurde, beseitigt eine geschickt gewählte Folge von Laserpulsen zur Anregung des Atoms den störenden Effekt der Lichtverschiebung.

Die Grundidee, für präzise Messungen gepulste Strahlung zu verwenden, geht zurück auf Norman Ramsey, der dafür 1989 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Bei dieser Methode schickt man einen ersten Laserpuls auf das Atom, der dort eine resonante Anregung startet. Anschließend läuft die in der Elektronenhülle des Atoms angeregte Schwingung „im Dunkeln“ ungestört weiter, bis schließlich ein zweiter Laserpuls den Vergleich zwischen der Resonanzfrequenz des Atoms und der Laserfrequenz abschließt. Eine ähnliche Vorgehensweise ist auch als Uhrenvergleich geläufig: Zwei Uhren werden zu einem gewissen Zeitpunkt gleich gestellt, dann für einen längeren Zeitraum laufen gelassen und abschließend wieder verglichen. Das Ergebnis zeigt dann, welche Uhr schneller bzw. langsamer als die andere gelaufen ist.

Das Signal der Ramsey-Anregung enthält durch die Dunkelphase zwischen den Laserpulsen eine Mittelung über die Lage der Zustände des Atoms mit und ohne Lichtverschiebung. Im Prinzip ließe sich die Lichtverschiebung kompensieren, indem die Laserfrequenz während der Pulse (und nur während der Pulse) um genau diese Größe verändert wird. Damit wäre praktisch aber nicht viel gewonnen, da man die präzise Information über die Störung des Atoms bereits vorab kennen müsste. Um dieses Problem zu lösen, hat bereits 2010 eine Gruppe von Wissenschaftlern (ebenfalls unter PTB-Mitwirkung) eine Methode vorgeschlagen, die sie „Hyper“-Ramsey-Anregung nannte.

Diese theoretische Überlegung ist jetzt erstmals experimentell bestätigt worden. Bei der „Hyper“-Ramsey-Anregung wird in die Dunkelphase ein dritter Laserpuls gleicher Intensität und gleicher Frequenz, aber mit invertierter Phase, eingefügt. Er kompensiert automatisch mögliche Fehler, die sich durch eine Fehleinschätzung in der Größe der Lichtverschiebung und kleine Schwankungen in der Laserintensität während der Lichtpulse ergeben können.

Die experimentelle Realisierung der „Hyper“-Ramsey-Anregung gelang an einem atomaren Übergang, der es erlaubt, sehr kleine Frequenzänderungen nachzuweisen, und der gleichzeitig eine große Lichtverschiebung aufweist, da zu seiner Anregung eine hohe Laserintensität benötigt wird. Es handelt sich um einen elektrischen Oktupolübergang im Yb+-Ion, der in der PTB als Basis einer optischen Uhr untersucht wird. Das Experiment konnte die theoretischen Vorhersagen über die Vorteile der „Hyper“-Ramsey-Anregung bestätigen und erreichte eine zehntausendfache Unterdrückung der Lichtverschiebung. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, mit der optischen Yb+-Uhr eine noch höhere Genauigkeit zu erreichen. Und auch für andere Forscher, die an einer präzise kontrollierten Wechselwirkung zwischen Atomen und Laserlicht interessiert sind, etwa im Gebiet der Quanten-Informationsverarbeitung, dürfte die Methode interessant sein.
es/ptb

Wissenschaftliche Veröffentlichung:
Huntemann, N.; Lipphardt, B.; Okhapkin, M.; Tamm, Chr.; Peik, E.; Taichenachev, A.V.; Yudin, V.I: Generalized Ramsey excitation scheme with suppressed light shift. Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 213002, http://www.ptb.de/de/aktuelles/archiv/presseinfos/pi2012/pitext/pi121122.html
Ansprechpartner:
Dr. Ekkehard Peik, PTB-Fachbereich 4.4 Zeit und Frequenz,
Telefon: (0531) 592-4400, E-Mail: ekkehard.peik@ptb.de

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik
21.09.2017 | Forschungszentrum MATHEON ECMath

nachricht Der stotternde Motor im Weltall
21.09.2017 | Universität Wien

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: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

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...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften