Atomuhren Volker Diete-Wendl 15.06.2011

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

Definition einer Sekunde Bis 1967 ist die Sekunde über astronomische Messungen definiert Ephemeridensekunde: 1/315.569.259.747 des tropischen Jahres vom 31.Dezember 1899 um 12:00 Uhr Definition einer Sekunde

Definition einer Sekunde Ab 1967 ist die Sekunde im SI Einheitensystem über ein atomares Zeitnormal definiert Atomsekunde: „Eine Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung“ Definition einer Sekunde

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

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

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

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

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

Messwerte mittels Ramsey Spektroskopie Grundidee einer Atomuhr

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

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

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

Atomstrahluhr im Querschnitt

Primäre Atomuhr CS 2 am PTB Atomstrahluhr 15

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

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

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

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

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

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

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

„Lattice“ Uhren Optische Uhren

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

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

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

Danke für die Aufmerksamkeit