Optische Gitteruhr auf Basis von Strontiumatomen erreicht beispiellose Präzision

Forscher am Ye Lab am JILA (dem National Institute of Standards and Technology und der University of Colorado at Boulder) und der University of Delaware haben kürzlich eine hochpräzise optische Gitteruhr entwickelt, die auf eingefangenen Strontiumatomen basiert. Ihre Uhr, präsentiert in einem Briefe zur körperlichen Untersuchung Papier hat eine systematische Gesamtunsicherheit von 8,1 x 10^-19Dies stellt die niedrigste bisher gemeldete Unsicherheit dar.

„Dieses Papier ist das Ergebnis jahrzehntelanger Arbeit im Ye-Labor, um die besten Uhren zu bauen“, sagte Alexander Aeppli, Co-Autor des Papiers, gegenüber Phys.org. „Die Zeitmessung ist eine grundlegende Aufgabe der Physik, und jeder Fortschritt in der Präzision und Genauigkeit von Messungen öffnet den Weg für die Erforschung neuer Phänomene und die Entwicklung neuer Technologien.“ »

Die meisten existierenden Zeitmesstechnologien messen speziell die Schwingungsdauer eines Elektrons in einem Cäsiumatom. Diese Instrumente sind als „Mikrowellen-Atomuhren“ bekannt, da die Frequenzen der von ihnen gemessenen Schwingungen im Mikrowellenband liegen und den Frequenzen elektromagnetischer Schwingungen in einem Mikrowellenherd ähneln.

„Viele neuere Atomuhren, auch unsere, nutzen einen ‚optischen‘ Übergang, bei dem die Frequenz der Schwingung der Frequenz des sichtbaren Lichts ähnelt“, erklärt Aeppli. „Die Verwendung einer viel höheren Frequenz ist wie die Verwendung eines Lineals mit feineren Abstufungen, das eine Sekunde mehr unterteilt und sofort eine präzisere Zeitmessung ermöglicht. »

Ein Großteil der jüngsten Forschung am Ye Lab von JILA zielte auf die Entwicklung von Atomuhren ab, die die Zeit mit hoher Präzision messen können. Die neueste Studie von Aeppli und Kollegen baut auf Fortschritten im Ye-Labor und anderen Instituten auf der ganzen Welt auf, die das Potenzial für den Bau präziser optischer Gitteruhren unter Verwendung von Strontiumatomen aufgezeigt haben.

„Eine typische Uhr besteht aus drei Elementen: einem Oszillator, einem Zähler und einer Referenz“, erklärt Aeppli. „Bei einer klassischen Pendeluhr ist der Oszillator ein Pendel, das einmal pro Sekunde hin und her schwingt. Ein Satz Zahnräder zählt diese Bewegung und bewegt den Sekunden-, Minuten- und Stundenzeiger weiter. Schließlich ist die Referenz der Stand der Sonne am Himmel, wobei Mittag ist, wenn die Sonne direkt über uns steht. »

Optische Gitteruhren funktionieren nach den gleichen drei Prinzipien wie herkömmliche Uhren. Bei dieser Art von Uhr haben Oszillator, Zähler und Frequenzreferenz jedoch eine ganz andere Form.

Bei optischen Gitteruhren besteht der Oszillator aus einem ultrastabilen Laser, während der Zähler ein Frequenzkamm ist (d. h. ein Instrument zur Messung optischer Frequenzen durch Aufzeichnung der Wiederholungsrate einer kontinuierlichen Folge von Lichtimpulsen). Die Frequenzreferenz besteht unterdessen aus gefangenen Atomen, bei denen es sich in der Uhr des Teams konkret um Strontiumatome handelt.

„Der Frequenzkamm ist relativ zum Laser stabilisiert, und der Laser ist relativ zu einem bestimmten elektronischen Übergang in den Strontiumatomen stabilisiert“, sagte Aeppli.

„Alle paar Sekunden strahlen wir den Laser 2,4 Sekunden lang auf die Atome. Weicht der Laser von der Atomresonanz ab, korrigieren wir diese Drift. Der Frequenzkamm wandelt optische Frequenzen in Mikrowellenfrequenzen um, und das Schöne an diesem Gerät ist, dass die Frequenzstabilität der Mikrowellenfrequenz die gleiche ist wie die der optischen Frequenzen. »

Sobald der Frequenzkamm die optischen Frequenzen in Mikrowellenfrequenzen umwandelt, werden die Perioden dieser Frequenzen mit einfachen elektronischen Mitteln analysiert, um eine Sekunde zu erhalten, die im Wesentlichen mit der Frequenz des Strontiumübergangs zusammenhängt. In der von Aeppli und seinen Kollegen entwickelten Uhr werden Strontiumatome in einer stehenden Lichtwelle gefangen, die von zwei Spiegeln erzeugt wird.

„Genau wie bei einem Gitter sind Atome periodisch auf dieses Licht beschränkt, wobei sich alle 0,5 um eine Gruppe einiger Atome befindet“, erklärte Aeppli.

„Diese Technologie ermöglicht es uns, einhunderttausend Strontiumatome gleichzeitig einzufangen, was bedeutet, dass wir jedes Mal, wenn wir die Übergangsfrequenz von Strontium messen, viele Atome gleichzeitig messen können, was zu einer sehr präzisen Messung führt.“ Dies steht im Gegensatz zu optischen Ionenuhren, die einen elektronischen Übergang innerhalb eines einzelnen gefangenen Ions nutzen, was bedeutet, dass jede Messung viel verrauschter ist. »

Obwohl optische Array-Uhren bereits die Fähigkeit bewiesen haben, die Zeit mit außergewöhnlicher Genauigkeit anzuzeigen, können sie auch Einschränkungen aufweisen. Insbesondere ihr zugrunde liegendes Design, das auf Lichteinfang basiert, kann ihre Genauigkeit beeinträchtigen, da es die Übergangsfrequenz verschieben kann.

Im Vergleich zu zuvor vorgeschlagenen optischen Gitteruhren verwendet die von Aeppli und Kollegen eingeführte Uhr Lichteinfang mit geringerer Intensität, was ihre Genauigkeit erheblich erhöht.

„Die meisten der in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse sind technischer Natur“, sagte Aeppli. „Eine der größten Veränderungen bei optischen Strontium-Gitteruhren ergibt sich aus Wechselwirkungen mit thermischer Emission aus der Umgebung. Wir können diesen Effekt nun besser charakterisieren und verstehen, wie er die natürliche Übergangsfrequenz des Strontiumatoms verschiebt. »

Die Arbeit dieses Forscherteams verdeutlicht das enorme Potenzial optischer Gitteruhren auf Basis von Strontiumatomen und legt nahe, dass sie vielleicht sogar zur Neudefinition der SI-Sekunde beitragen könnten. Aeppli und seine Kollegen hoffen, dass ihre Ergebnisse künftige Studien auf diesem Gebiet beeinflussen und den Weg für die Entwicklung immer präziserer Uhren ebnen.

„In größerem Maßstab hoffen wir, dass unsere Arbeit zeigt, dass es einen weiteren Weg zur Herstellung genauerer Uhren gibt und wir noch keine grundlegende Grenze für die Genauigkeit der Uhren gesehen haben“, sagte Aeppli.

„Obwohl wir eine Uhr mit hervorragender Genauigkeit gebaut haben, nutzen wir sie noch nicht zur Zeitanzeige. Dennoch ist es wichtig, Uhren zu vergleichen, um ihre Grenzen zu verstehen. Wie in der Vergangenheit arbeiten wir derzeit mit Kollegen am National Institute of Standards and Technology (NIST) zusammen, um deren Plattformen zu vergleichen. »

Forscher des Ye Lab führen derzeit eine Reihe weiterer Uhrenexperimente durch, die jeweils darauf abzielen, Ansätze für den Bau fortschrittlicherer Atomuhren zu entwickeln.

Zwei vielversprechende Ansätze, die sie untersuchen, umfassen die Verwendung von Quantenverschränkung zur Reduzierung des mit der Messung der Übergangsfrequenz verbundenen Rauschens und die Verwendung eines Kernübergangs, der noch bessere Genauigkeiten liefern kann.

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