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 Graphen auf dem Weg zur Supraleitung
12.11.2018 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Datensicherheit: Aufbruch in die Quantentechnologie
09.11.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Im Focus: A Chip with Blood Vessels

Biochips have been developed at TU Wien (Vienna), on which tissue can be produced and examined. This allows supplying the tissue with different substances in a very controlled way.

Cultivating human cells in the Petri dish is not a big challenge today. Producing artificial tissue, however, permeated by fine blood vessels, is a much more...

Im Focus: Optimierung von Legierungswerkstoffen: Diffusionsvorgänge in Nanoteilchen entschlüsselt

Ein Forschungsteam der TU Graz entdeckt atomar ablaufende Prozesse, die neue Ansätze zur Verbesserung von Materialeigenschaften liefern.

Aluminiumlegierungen verfügen über einzigartige Materialeigenschaften und sind unverzichtbare Werkstoffe im Flugzeugbau sowie in der Weltraumtechnik.

Im Focus: Graphen auf dem Weg zur Supraleitung

Doppelschichten aus Graphen haben eine Eigenschaft, die ihnen erlauben könnte, Strom völlig widerstandslos zu leiten. Dies zeigt nun eine Arbeit an BESSY II. Ein Team hat dafür die Bandstruktur dieser Proben mit extrem hoher Präzision ausgemessen und an einer überraschenden Stelle einen flachen Bereich entdeckt. Möglich wurde dies durch die extrem hohe Auflösung des ARPES-Instruments an BESSY II.

Aus reinem Kohlenstoff bestehen so unterschiedliche Materialien wie Diamant, Graphit oder Graphen. In Graphen bilden die Kohlenstoffatome ein zweidimensionales...

Im Focus: Datensicherheit: Aufbruch in die Quantentechnologie

Den Datenverkehr noch schneller und abhörsicher machen: Darauf zielt ein neues Verbundprojekt ab, an dem Physiker der Uni Würzburg beteiligt sind. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit 14,8 Millionen Euro.

Je stärker die Digitalisierung voranschreitet, umso mehr gewinnen Datensicherheit und sichere Kommunikation an Bedeutung. Für diese Ziele ist die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

Wer rechnet schneller? Algorithmen und ihre gesellschaftliche Überwachung

12.11.2018 | Veranstaltungen

Profilierte Ausblicke auf die Mobilität von morgen

12.11.2018 | Veranstaltungen

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

MagicMoney: Offline bezahlen – mit deinem Smartphone

13.11.2018 | Wirtschaft Finanzen

5G sichert Zukunft von Industrie 4.0 – DFKI mit der SmartFactoryKL auf der SPS IPC Drives

13.11.2018 | Messenachrichten

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungsnachrichten

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