Atomuhren ticken im Tandem genauer

Kopplung von zwei Ytterbium-Uhren erhöht Stabilität der Zeitmessung
Blick auf eine optische Ytterbium-Atomuhr am NIST, in der der Übergang zwischen zwei Energieniveaus des Ytterbium-Atoms für eine extrem genaue  Zeitmessung genutzt wird.
Blick auf eine optische Ytterbium-Atomuhr am NIST, in der der Übergang zwischen zwei Energieniveaus des Ytterbium-Atoms für eine extrem genaue Zeitmessung genutzt wird.
© N. Phillips, NIST
Boulder (USA) - Extrem genaue Atomuhren benötigen auch eine hohe Stabilität, um für anspruchsvolle Experimente werden zu können, etwa zur Überprüfung fundamentaler Konstanten. Einen neuen Rekord für diese Stabilität von Atomuhren stellten nun amerikanische Wissenschaftler auf. In der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ präsentieren sie ihren Aufbau, in dem sie zwei optische Ytterbium-Atomuhren per Laser miteinander gekoppelt haben.

„Wir eliminierten ein kritisches Rauschen beim Betrieb der Atomuhren“, sagt Andrew Ludlow vom National Institute of Standards and Technology NIST in Boulder. In seinem Versuchsaufbau wichen aufeinanderfolgende Zeitintervalle um maximal 6 × 10-17 Sekunden voneinander ab. Dieser neue Rekordwert wurde mit zwei miteinander gekoppelten optischen Atomuhren möglich, in denen jeweils bis zu 10 000 Ytterbiumatome in einem Gitter aus Laserstrahlen eingefangen waren. Die Stabilität von Atomuhren beschreibt, wie exakt jedes einzelne Zeitintervall mit den vorhergehenden und nachfolgenden Zeitintervallen übereinstimmt – und ist damit ein Maß für ein gleichmäßiges Ticken einer Atomuhr. Ein Zeitintervall dieser Uhren entsprach dem Übergang zwischen zwei angeregten Zuständen der Ytterbiumatome.

Im Betrieb stimmten die Forscher die Frequenz eines Lasers genau auf die Frequenz des Übergangs zwischen den beiden Energieniveaus des Ytterbium-Atoms ab. Über die Kopplung von zwei solchen Uhren konnte dieser Laser nun abwechselnd auf beide optischen Gitter mit seinen Ensembles aus Ytterbiumatomen wirken. Dadurch standen die winzigen, aber möglichen Frequenzfluktuationen des Laserlichts ständig unter Kontrolle, mal für die erste, mal für die zweite Atomuhr. Diese ununterbrochene Nutzung des anregenden Lasers hatte den Vorteil, dass keine Frequenzfluktuation der Laserfrequenz mehr unkontrolliert ablaufen konnte. Ein darauf basierender Störeffekt auf die extrem genaue Zeitmessung trat folglich nicht mehr auf.

Mit diesem Aufbau limitierte nun erstmals der schnelle Wechsel der Energiezustände im Ytterbium-Atom und nicht mehr die Frequenzgenauigkeit des Lasers die Stabilität der Atomuhr. Denn die kleine, aber bisher vorhandene Fehlerquelle der unkontrollierten Frequenzfluktuationen des Laserlichts fiel mit der Atomuhr-Kopplung weg. Ludlow und Kollegen halten es auf der Basis ihrer Ergebnisse für möglich, sogar tragbare optische Ytterbium-Atomuhren zu entwickeln, die in Zukunft etwa an Bord eines Satelliten eingesetzt werden könnten. Auch deutsche Physiker an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB in Braunschweig entwickelten optische Ytterbium-Atomuhren. Erst Anfang des Jahres erzielten sie einen Rekordwert für die relative Messungenauigkeit, wobei sie mit einer einzelnen Ytterbium-Atomuhr einen Wert von nur 3 x 10-18 Sekunden erreichten.

© Wissenschaft aktuell


 

Home | Über uns | Kontakt | AGB | Impressum
© Wissenschaft aktuell & Scientec Internet Applications + Media GmbH, Hamburg