Das neue Frequenznormal am METAS Gregor Dudle Zeit- und Frequenzlabor, EAZ
Menu Atomfrequenznormale Laserkühlung METAS-ON Springbrunnen Prinzip Ramsey Kavität Laserkühlung Prinzip der Dopplerkühlung Limite Temperaturmessung METAS-ON Springbrunnen Design Stabilitätsmessungen
Atomfrequenznormale
Prinzip einer Uhr ? Atomfrequenznormale
Prinzip einer Uhr ? Atomfrequenznormale
Prinzip einer Uhr ? Atomfrequenznormale
Definition der SI-Sekunde ist das 9 192 631 770fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cs133 entsprechenden Strahlung (XIII CGPM 1967) Atomfrequenznormale
Energieniveaus eines Cäsiumatoms Atomfrequenznormale
Abtasten der Atome Atomfrequenznormale
Abtasten der Atome Atomfrequenznormale
Abtasten der Atome Atomfrequenznormale
Abtasten der Atome Atomfrequenznormale
Abtasten der Atome Atomfrequenznormale
Abtasten der Atome Referenz Atomfrequenznormale Oszillator
Ramsey Kavität Atomfrequenznormale Mikrowelle
Ramsey Kavität Atomfrequenznormale TL muss so gross wie möglich sein
Grosse Interaktionszeit Sehr lange Kavität Mechanisch schwierig Weg der Atome schlecht kontrolliert Langsame Atome Mechanisch kompakter, einfacher Ausbeute bei thermischen Atomen sehr klein (1950 J.R. Zacharias, MIT ohne Erfolg) Laserkühlung Atomfrequenznormale
Grosse Interaktionszeit Sehr lange Kavität Mechanisch schwierig Weg der Atome schlecht kontrolliert Langsame Atome Mechanisch kompakter, einfacher Ausbeute bei thermischen Atomen sehr klein (1950 J.R. Zacharias, MIT ohne Erfolg) Laserkühlung Atomfrequenznormale
Laserkühlung
Entwicklung der Laserkühlung 1975 Theoretisches Model "Doppler Cooling" (Hänsch) Limite für Cs-Atome 127 mK 1985 Experiment (USA) 1988 Temperaturen unter 127 mK beobachtet (NIST, USA) 1989 Theoretische Model für sub-Doppler (ENS, Paris; Stanford) 1990 Erste Anwendung in Zeitmetrologie (ENS-LPTF, Paris) 1993 Erste kalte Atome in der Schweiz (Observatoire Cantonal NE) 1997 Nobelpreis für Lasercooling (Cohen, Chu, Phillips) Laserkühlung
Prinzip Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand Laserkühlung Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung des Photons
Prinzip Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand Laserkühlung Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung des Photons
Prinzip Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand Laserkühlung Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung des Photons
Mathematische Beschreibung Intensität Laser Geschwindigkeit Atom Frequenzoffset Atom-Laser Laserkühlung
Kraft vs. Geschwindigkeit - 1 Laserstrahl Laserkühlung
Kraft vs. Geschwindigkeit - 2 Laserstrahlen F(v) = - a v Laserkühlung Molasses
Kühlen oder bremsen ? Maxwell Verteilung Laserkühlung
Wie kalt können die Atome werden ? Bei jeder Abstrahlung eines Photons erfährt das Atom einen Rückstoss Random-Walk Minimum pour D = -G/2 Laserkühlung Limite „Doppler“
Wie misst man die Temperatur ? Laserkühlung
Wie misst man die Temperatur ? Laserkühlung
Wie misst man die Temperatur ? Laserkühlung
Wie misst man die Temperatur ? Laserkühlung
Wie misst man die Temperatur ? Laserkühlung
Wie misst man die Temperatur ? Laserkühlung
vL L TL Df Thermischer Strahl 100 m/s 1 m 10 ms 50 Hz Lasergekühlter Strahl 0-3 m/s .5 m 500 ms 1 Hz Laserkühlung
METAS - ON Springbrunnen
Anvisiertes Ziel Kontinuierlicher Strahl lasergekühlter Cäsiumatome Kollisionseffekte sehr kleins Kurzzeitstabilität: 7·10-14 t-1/2 Accuracy: 10-15
Springbrunnen: Prinzip Abtasten Laserkühlung/ Abwurf Springbrunnen Detektion
Springbrunnen: Prinzip Abtasten Laserkühlung/ Abwurf Springbrunnen Detektion
Springbrunnen: Prinzip Abtasten Laserkühlung/ Abwurf Springbrunnen Detektion
Springbrunnen: Realisierung 1 m Flugbahn Magnetische Abschirmung Mikrowellen- Kavität Springbrunnen Detektion Quelle
Springbrunnen: Details Mikrowellen-Kavität 56 mm
Optischer Aufbau 4 Diodenlaser, 1 MOPA l = 852 nm Linienbreite < 100 kHz ca. 400 mW Polarisations-erhaltende Glasfasern
Quelle 4 45° Strahlen 1 retroreflektierter Strahl Abwurfgeschw. 3.8 m/s ca 200‘000 at/s detektiert
Blick ins Labor 1997 Design und Aufbau 1998 Kalte Atome 2000 Erste Ramsey-Fringes 2001 Erste Stabilitätsmessung 2002 Transfer nach Wabern Springbrunnen
Ramsey fringes Springbrunnen
Ramsey fringes
Stabilitätsmessung
Wo stehen wir Design und Aufbau Kontinuierlicher Strahl kalter Atome Ramsey-Fringes Stabilitätsmessungen Genauigkeits-Evaluation Vergleich mit andern Frequenz Primär Standards
Wo stehen die anderen LPTF (F): mehrere Exemplare funktionieren PTB (D): evaluiert NIST: evaluiert "Kurz vor Abschluss" IEN, NPL, NRC, ... ... ...
Hauptdarsteller Pierre Thomann J.-F. Léchenne, Konstrukteur René Maurer, Mechaniker Alain Joyet, Doktorand Natascia Castagna, Doktorandin Gaetano Mileti, Physiker Cipriana Mandache, Post-Doc (Rumänien)
Zusammenfassung Prinzip eines passiven Atomfrequenznormals Vorteil von langen Interaktionszeiten Prinzip der Laserkühlung Design des kontinuierlichen METAS-ON Springbrunnens Ramsey-Fringes und Stabilitätsresultate