Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Weltweit genaueste und stabilste transportable optische Uhr

14.02.2017

Optische Strontiumuhr der PTB in einem PKW-Anhänger – für geodätische Untersuchungen, weltweite Uhrenvergleiche und schließlich auch eine neue SI-Sekunde

Optische Uhren sind noch genauer als die Cäsium-Atomuhren, die gegenwärtig die Zeit „machen“. Außerdem benötigen sie nur ein Hundertstel der Messdauer, um eine bestimmte Messgenauigkeit zu erreichen. Damit könnten sie in Zukunft nicht nur die Grundlage für eine neue Definition der SI-Basiseinheit Sekunde liefern, sondern ganz konkret zu besseren Messmöglichkeiten etwa in der Geodäsie führen.


Ein Anhänger, gespickt mit Hightech-Physik: die transportable optische Uhr der PTB

PTB

Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben jetzt erstmals eine transportable optische Strontium-Gitteruhr präsentiert und erfolgreich getestet, die für weltweite Vergleiche optischer Uhren, geodätische Anwendungen und Grundlagenuntersuchungen in der Physik geeignet ist. Ihre Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters veröffentlicht.

Optische Uhren gelten als heiße Kandidaten für eine neue Definition der SI-Basiseinheit Sekunde. Dass es bei der anstehenden SI-Neudefinition im Herbst 2018 vorerst noch bei den Cäsium-Atomuhren bleibt, hat nur den Grund, dass der Nachfolger noch nicht klar feststeht.

Es gibt schlicht zu viele konkurrierende optische Uhren. Noch ist nicht klar, wer das Rennen machen wird – sprich, ob die Definition schließlich auf einer Eigenschaft des Strontium-, Ytterbium-, Aluminium- oder eines anderen Atoms beruhen wird. Die entsprechenden optischen Uhren liefern sich schon seit Jahren spannende Kopf-an-Kopf-Rennen in den unterschiedlichen Disziplinen: etwa bei der Genauigkeit (wobei es um möglichst kleine Unsicherheiten geht) oder bei der Stabilität (wie lange man messen muss, um zuverlässige Messdaten zu bekommen).

Der gegenwärtige Sieger in der Disziplin „Transportabiltät“ hat alle Konkurrenten hinter sich gelassen. „Mit einer Unsicherheit von 7,4 · 10−17 ist unsere transportable optische Strontium-Gitteruhr so nah an die besten stationären optischen Uhren herangekommen, wie wir es für gute Uhrenvergleiche brauchen“, erklärt Arbeitsgruppenleiter Christian Lisdat. Und richtig gute Uhrenvergleiche, weiß der Physiker, sind heutzutage nur in den wenigen Fällen möglich, in denen Uhren in demselben Labor stehen oder über Glasfaserverbindungen gekoppelt sind – wie etwa bei der Glasfaserstrecke zwischen Braunschweig und Paris.

„In allen anderen Fällen müssen Sie die klassischen Satellitenvergleiche wie zwischen Cäsium-Atomuhren nutzen – aber Sie verlieren den Genauigkeitsvorteil, den eine optische Uhr bietet“, erklärt Lisdat. Ab jetzt kann eine optische Uhr im Prinzip einfach zu ihrem Gegenstück gefahren und die beiden miteinander verglichen werden. So etwas ist kein Selbstzweck, sondern praktische Notwendigkeit: Nur innerhalb eines globalen Zusammenschlusses können Uhren den weltweiten Finanz-, Kommunikations-, Satellitennavigations- und Energieversorgungssystemen die benötigten genauen Zeitsignale liefern.

Auch hinsichtlich der Stabilität (ebenfalls eine starke Seite der stationären Strontium-Gitteruhr der PTB) hat diese transportable Variante ihre Konkurrenten so weit überholt, dass sie Geodäten aufhorchen lässt: „Wir erreichen bereits nach Messungen von weniger als einer Stunde den Bereich von wenigen 10−17, der notwendig ist, um Höhenunterschiede von ungefähr 10 Zentimetern zu messen. Mit zwei Uhren und einer Verbindung geht dies auch zwischen sehr weit entfernten Zielen, etwa über einen Kontinent“.

Weil eine solche optische Uhr damit etwas in einem Schritt schafft, wofür bisherige geodätische Methoden viele Einzelschritte benötigen, arbeiten Lisdat und seine Kollegen schon seit einigen Jahren eng mit Wissenschaftlern der Leibniz Universität Hannover im DFG-Sonderforschungsbereich 1128 geo-Q zusammen.

Ein Blick in den klimatisierten Autoanhänger, in dem die transportable Uhr untergebracht ist, offenbart ein Gewirr aus Kabeln, Lasern und Computern. „Es war keine triviale Aufgabe, alle Lasersysteme zum Herunterkühlen und Einfangen der Atome mitsamt der nötigen Elektronik auf solch kleinem Raum unterzubringen“, erläutert Christian Lisdat. Als besonders kompliziert erwies sich die transportable Version des Abfragelasers (der also die richtige Frequenz der Strontiumatome ermittelt).

Aber schließlich konnte der kleine Anhänger, der außen die Aufschrift der verwendeten optischen Uhrenfrequenz trägt, fertiggestellt und bei zwei Messkampagnen außerhalb des PTB-Geländes getestet werden. Obwohl noch bessere Komponenten schon in der Entwicklung sind, ist diese Uhr bereits jetzt zehnmal genauer und hundertmal stabiler als die besten transportablen Cäsium-Fontänenuhren.

Damit ist die transportable optische Uhr der PTB bereit für geodätische Höhenmessungen, internationale Uhrenvergleiche, Präzisionsmessungen von Fundamentalkonstanten – und macht einen wichtigen Schritt für Anwendungen im Weltraum.
es/ptb

Ansprechpartner
PD Dr. Christian Lisdat, PTB-Arbeitsgruppe 4.32 Optische Gitteruhren, Telefon (0531) 592-4320, E-Mail: christian.lisdat@ptb.de

Die wissenschaftliche Veröffentlichung
S. B. Koller, J. Grotti, S. Vogt, A. Al-Masoudi, S. Dörscher, S. Häfner, U. Sterr, C. Lisdat: A transportable optical lattice clock with 7 × 10−17 uncertainty. Phys. Rev. Lett. 118, 073601 (2017)

Diese Veröffentlichung wurde von Physical Review Letters durch einen kommentierenden Beitrag besonders hervorgehoben: http://physics.aps.org/articles/v10/11

Imke Frischmuth | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Quanten-Übertragung auf Knopfdruck
14.06.2018 | 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: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Abwehrmechanismus gegen Sauerstoffradikale entdeckt

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Umwandlung von nicht-neuronalen Zellen in Nervenzellen

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Im Fußballfieber: Rittal Cup verspricht Spannung und Spaß

18.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics