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Atomuhren Volker Diete-Wendl 15.06.2011. 2 Gliederung Definition einer Sekunde Motivation Grundidee einer Atomuhr Arten von Atomuhren –Cäsium Uhren –Optische.

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1 Atomuhren Volker Diete-Wendl

2 2 Gliederung Definition einer Sekunde Motivation Grundidee einer Atomuhr Arten von Atomuhren –Cäsium Uhren –Optische Atomuhren –Kompakte Atomuhren Ausblick Zusammenfassung

3 Definition einer Sekunde3 Bis 1967 ist die Sekunde über astronomische Messungen definiert Ephemeridensekunde: 1/ des tropischen Jahres vom 31.Dezember 1899 um 12:00 Uhr

4 Definition einer Sekunde4 Ab 1967 ist die Sekunde im SI Einheitensystem über ein atomares Zeitnormal definiert Atomsekunde: „Eine Sekunde ist das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133 Cs entsprechenden Strahlung“

5 Motivation5 Verwendung von Atomuhren Höhere Auflösung in der Radioastronomie Messung von Pulsarperioden Abgleichen von Telekommunikationssignalen Bestätigung der Relativitätstheorie: Zeitdilatation Navigation / GPS Geodäsie Messung der Konstanz von Naturkonstanten Festlegung internationalen Atomzeit (TAI)

6 Grundidee einer Atomuhr6 Periodische Prozesse sind Grundlage einer genauen Uhr Atome sind idealerweise identisch (=>weltweite Vergleichbarkeit) Prinzip einer Atomuhr Referenzuhr wird mit Frequenz eines atomaren Übergangs abgeglichen

7 Grundidee einer Atomuhr7 Funktionsweise einer Atomuhr Bedingungen für eine hohe Genauigkeit Schmale Natürliche Lininenbreite des Übergangs Lange Wechselwirkungszeit mit der Probe ΔfΔt≥0.5 Gute Isolation der Atome

8 Grundidee einer Atomuhr8 Physikalische Grenzen Quantum projection noise (statistische Unsicherheit beim Messen) Relative Unsicherheit:

9 Grundidee einer Atomuhr9 Termschema von Cäsium Verschiebung der Spektrallinien z.B. Stark-Effekt, quadratischer Zeeman- Effekt

10 Grundidee einer Atomuhr10 Messwerte mittels Ramsey Spektroskopie

11 Grundidee einer Atomuhr11 Bloch Kugel 1.Anregung vom Grundzustand mit π/2-Puls 2.Kohärente Überlagerung von Grund- und angeregtem Zustand 3.Oszillation des Blochvektors aufgrund der Anregung 4.Zweiter π/2-Puls wirkt in Abhängigkeit der Phasenlage des Blochvektors

12 Grundidee einer Atomuhr12 Messwerte einer Cäsium-Fontäne mittels Ramsey Spektroskopie Die Ramsey Methode hängt nur noch von der Flugzeit, nicht mehr von der Wechselwirkungszeit ab

13 Atomstrahluhr13 1.Cäsium Quelle 2.Zustandsselektion durch inhomogenes Magnetfeld 3.Hohlraumresonator zur Anregung 4.Zustandsselektor 5.Detektor Schematischer Aufbau einer Atomstrahluhr

14 Atomstrahluhr14 Atomstrahluhr im Querschnitt

15 Atomstrahluhr15 Primäre Atomuhr CS 2 am PTB

16 Cäsium-Fontäne16 Schematischer Aufbau einer Cäsium-Fontäne 1.Atomfalle(~10 7 Atome,~1μK) 2.2 Führungslaser 3.Mikrowellenresonator 4.Anregungslaser zur Detektion mittels Fluoreszenz 5.Detektor

17 Cäsium-Fontäne17 Cäsium-Fontäne Atomuhr NIST-F1: Abweichung von 1 Sekunde in 60 Millionen Jahren

18 Optische Uhren18 Optische Uhren Optische Uhren mit einzelnen Ionen z.B. Al +, Hg + Optische Uhren mit vielen Atomen z.B. H 2, Ca, Sr

19 Optische Uhren19 Vorteile optischer Uhren Deutlich höhere Frequenz des optischen Übergangs Laser als stabile Frequenzquelle durch high finesse cavity Probleme bei optischen Uhren Zeitvergleich über Satellit zu ungenau Direkte Messung an Al + schwierig Messung von hohen Frequenzen Lösung Signalübertragung per Glasfaser Spectroscopy using Quantum logic(P.O.Schmidt): Sympathetisches Kühlen von Ionen Frequenzkamm misst hohe Frequenzen

20 Optische Uhren20 Frequenzkamm Optische Übergänge sind im Bereich Hz Problem: Elektronisch nur Frequenzen bis Hz messbar

21 Optische Uhren21 Aufbau einer optischen Uhr Wie misst man eine Uhr die genauer als andere Uhren geht?

22 Optische Uhren22 Abschätzung der Genauigkeit Wichtiger als systematische Störungen selber, ist wie genau man die Störungen bestimmen kann! 2.3· · [ ]

23 Optische Uhren23 „Lattice“ Uhren

24 Kompakte Atomuhren24 Kompakte Atomuhren Vorteile: Kleiner Leichter Billiger Nachteile: Ganggenauigkeit: 2.5· s in 1s

25 Ausblick25 Ausblick PARCS: Primary Atomic Reference Clock in Space „Lattice“ Atomuhren

26 Zusammenfassung26 Zusammenfassung SI Sekunde ist über atomaren Übergang definiert Atomuhren vergleichen Oszillatorfrequenz mit der stabilen Frequenz eines atomaren Übergangs Cäsum-Fontäne Atomuhren als aktueller Standard mit relativer Abweichung von 5· Optische Atomuhren als kommender Standard mit relativer Abweichung von

27 27 Danke für die Aufmerksamkeit


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