Optical Frequency Standards Yb + E2Yb + E3Sr lattice Under Development Al + Quantum Logic Multi-Ion Th-229 nuclear New Technology Microwave Generation.

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1 Optical Frequency Standards Yb + E2Yb + E3Sr lattice Under Development Al + Quantum Logic Multi-Ion Th-229 nuclear New Technology Microwave Generation Silicon cryo cavity Frequency distribution via fibers Optical Frequency Standards at PTB

2 Clock Hall in Kopfermann-Building of PTB, Braunschweig Legal time for Germany 4 primary cesium clocks Time distribution via long-wave radio DCF77 / internet / telephone Time transfer of highest precision for international atomic time scales TAI and UTC Cesium fountain clocks Optical clocks with trapped ions

3 Time and Frequency Department, Head: E. Peik Primary Clocks S. Weyers Time Scales and Time Dissemination A. Bauch Optical Clocks with trapped ions E. Peik QUEST JRG Multiion Traps T. Mehlstäubler Quantum Optics Department, Head: H. Schnatz: Sr lattice clock, Frequency transfer by fiber links QUEST Institute Quantum Metrology, Head: P. Schmidt Al + quantum logic clock Caesium fountains CSF1, CSF2 UTC(PTB), CS1, CS2, H-Masers, Longwave radio DCF 77, telephone, NTP TWSTFT, GNSS, pivot for BIPM Yb +, quadrupole and octupole transitions, femtosecond frequency combs, optical nuclear spectroscopy of Th-229 Novel ion traps, Yb +

4 New generation of UTC(PTB) and legal time for Germany (A. Bauch) Previously: CS2 alone (ran out of Cs after 24 years of operation) Now: H-Maser steered by primary Cs clocks. Steering uses primarily data from CSF1, secondly the other available Cs clocks → improved short term stability, use of PTB‘s most precise clocks for UTC UTC(NIST)-UTC(PTB) via GPS PPP three days before and after the switch on 28.01.2010

5 Operation of CSF1 as a primary clock in 2010 (S. Weyers) - Available measuring time in 2010: 94.5% - TAI calibration reported to BIPM for 100 days - Three optical frequency measurements:Yb + Octupole Sr H (MPQ-Munich, via fiber link) This year: modernisation (aim u B : from 0.8 → ~0.4 10 -15 ) Frequencies of three H masers in comparison with CSF1

6 Construction of a new TWSTFT antenna site (D. Piester, M. Rost, A. Bauch) unification of all two-way-links (Europe, Asia, USA) on one antenna site with airconditioned measurement laboratory nearby opportunity for new links new technology: ACES MWL, laser links On the roof of the former reactor building On PTB campus

7 PTB participation in the ground segment for the ACES mission ACES science goals (a.o.):

8 Arbeitsgruppe Zeitübertragung: Zeitskalen, Zeit- und Frequenzübertragung Betrieb der „klassischen“ Cäsiumuhren CS1, CS2 Langwellensender DCF77 PTB-Zeit über NTP-Server: 100 Millionen Abfragen pro Tag

9 FB 4.4 Zeit und Frequenz Ekkehard Peik FB in Gebäuden: FB 4.4 Zeit und Frequenz Ekkehard Peik AG 4.41 Zeitnormale Stefan Weyers AG 4.42 Zeitübertragung Andreas Bauch AG 4.43 Optische Uhren mit einzelnen Ionen Ekkehard Peik SeSc 4.40 Optische Frequenznormale Christian Tamm Aufgabe: Realisierung und Weitergabe der SI-Sekunde und der gesetzlichen Zeit, UTC(PTB) Entwicklung und Betrieb primärer Caesium-Uhren, Internationale Zeitvergleiche, Optische Uhren mit gespeicherten Ionen. Kopfermann- Bau Giebe- Bau

10 Stefan Weyers Aufgabe: Realisierung der SI-Sekunde Darstellung der gesetzlichen Zeit (mit 4.42) Beiträge zur Steuerung von TAI Schwerpunkte (F&E): Caesium-Fontänenuhren als Primärnormale für die Zeiteinheit Dienstleistungen - Steuerung von UTC(PTB) mit Fontänenuhren - Messung optischer Frequenzen Internationale Zusammenarbeit - Working Group on Primary Frequency Standards - andere NMI‘s: NIST, NPL, NPL-India, SYRTE AG 4.41 Zeitnormale Kopfermann-Bau Aktuelle Ziele -Verringerung der syst. Unsicherheit auf wenige 10 -16 - Verbesserung der Instabilität durch Einbindung einer optisch stabilisierten Mikrowellenquelle

11 Andreas Bauch Aufgaben: Darstellung und Verbreitung der Zeitskala UTC(PTB) und der gesetzlichen Zeit Schwerpunkte (F&E): UTC(PTB) gestützt auf Cs-Fontänen von 4.41, Methoden für internationale Zeitvergleiche: GPS- basiert, TWSTFT sowie Zeitübertragung mittels Glasfasern Dienstleistungen: DCF77, Telefonzeitdienst, Internet-Zeitdienst (mit Q.42), Normalfrequenz- verteilung in der PTB, Begutachtungen für die DAkkS, Kalibrierungen Besondere Aktivitäten in 2012-2013: Bezug des Messplatzes Meitner-Bau für Satelliten-Zeitvergleiche, Vorbereitung der ACES Kampagne AG 4.42 Zeitübertragung Internationale Zusammenarbeit: Euramet TCTF, ESA /EC wg. Galileo, Dirk Piester: CCTF WG TWSTFT Kopfermann-Bau

12 Ekkehard Peik Aufgabe: Forschung zu optischen Frequenznormalen höchster Genauigkeit. Schwerpunkte (F&E): Lasergekühltes Yb + -Einzel-Ion (zwei Referenzübergänge) Optischer Kernübergang im 229 Th Optische Frequenzmessung; Grundlagentests wie d  /dt Aktuelle Projekte Oktupolübergang in Yb + : Unsicherheit 10 -17 Kern-Anregung von 229 Th bei Th + über elektronische Brückenprozesse Erste Studien zu Th-dotierten Festkörpern AG 4.43 Optische Uhren mit einzelnen Ionen Giebe und Kopfermann Wichtigste Kooperationen QUEST (EP: PI und Priv.-Doz. an LUH) Inst. for Laser Physics, Russian Academy of Sciences EMRP-Projekt mit NPL, MIKES, CMI

13 Christian Tamm Aufgabe: (Weiter-) Entwicklung optischer Frequenznormale mit 171 Yb + Schwerpunkte (F&E): Ein-Ion-Fallen, Sub-Hz-Laser, Atomphysik, Optik, Elektronik, Software, Messmethoden "Dienstleistung": Know-how-Austausch mit FB 4.4 und 4.3, QUEST-JRG, externen AGs,... Besondere Interessen: Neue Ansätze zur Anregung / Spektroskopie des Kernübergangs in 229 Th n + SeSc 4.40 Optische Frequenznormale Giebe und Kopfermann

14 Ausrichtung und Vernetzung der AGs im FB 4.4 Der FB 4.4 verknüpft im Bereich Zeit und Frequenz Forschung und Dienstleistung. Dies trägt wesentlich zur positiven Außendarstellung der PTB bei..