Atomuhren Volker Diete-Wendl 15.06.2011.

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1 Atomuhren Volker Diete-Wendl

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

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

4 Definition einer Sekunde
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 133Cs entsprechenden Strahlung“ Definition einer Sekunde

5 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) Motivation

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

7 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 Grundidee einer Atomuhr

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

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

10 Messwerte mittels Ramsey Spektroskopie
Grundidee einer Atomuhr

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

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

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

14 Atomstrahluhr im Querschnitt

15 Primäre Atomuhr CS 2 am PTB
Atomstrahluhr 15

16 Schematischer Aufbau einer Cäsium-Fontäne Atomfalle(~107 Atome,~1μK)
2 Führungslaser Mikrowellenresonator Anregungslaser zur Detektion mittels Fluoreszenz Detektor Cäsium-Fontäne

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

18 Optische Uhren Optische Uhren mit einzelnen Ionen
z.B. Al+, Hg+ Optische Uhren mit vielen Atomen z.B. H2, Ca, Sr Optische Uhren

19 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 Optische Uhren 19

20 Frequenzkamm Optische Übergänge sind im Bereich 1015 Hz
Problem: Elektronisch nur Frequenzen bis 1011 Hz messbar Optische Uhren

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

22 Abschätzung der Genauigkeit
[10-18] 2.3·10-17 1.9·10-17 Wichtiger als systematische Störungen selber, ist wie genau man die Störungen bestimmen kann! Optische Uhren 22

23 „Lattice“ Uhren Optische Uhren

24 Kompakte Atomuhren Vorteile: Nachteile: Kleiner Leichter Billiger
Ganggenauigkeit: 2.5·10-10s in 1s Kompakte Atomuhren

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

26 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 5·10-16 Optische Atomuhren als kommender Standard mit relativer Abweichung von 10-18 Zusammenfassung

27 Danke für die Aufmerksamkeit