Atomuhr mit einem dreidimensionalen optischen Gitter

Optische Atomuhren auf der Basis von elektronischen Übergängen in Strontium- oder Ytter­bium­atomen gehören heute zu den genau­esten Zeit­messern. Bisher nutzen Physiker ein­dimen­sionale optische Gitter, in denen mit Lasern Atome einge­fangen und gezielt ange­regt werden können. Am National Insti­tute of Standards in Boulder in den USA gingen Jun Ye und seine Kollegen jetzt einen Schritt weiter und konstru­ierten eine Atom­uhr aus einem drei­dimensio­nalen optischen Gitter. Damit ließen sich deut­lich mehr Strontium­atome ein­fangen und erst­mals eine Präzi­sion von bis zu 5 × 10^-19 erreichen.

Für die Konstruktion möglichst exakter und stabiler Atom­uhren sollen die gemes­senen Fre­quenzen für die reso­nante Anre­gung der elek­tro­nischen Über­gänge über einen längeren Zeit­raum möglichst wenig von­ein­ander abweichen. Um dieses Ziel zu errei­chen, nutzten die NIST-Forscher erst­mals ein Ensemble aus drei jeweils senk­recht zuein­ander ausge­rich­teten Laser­paaren, mit denen sie ein drei­dimen­sio­nales optisches Gitter auf­bauten. Abge­kühlt auf etwa zehn Nano­kelvin fingen sie in dieses Gitter etwa 10.000 Strontium­atome ein und regten mit einem weiteren Laser Elek­tronen zwischen zwei ausge­wählten Energie­niveaus als Takt­geber für die Atom­uhr resonant an.

Mussten bei vorher entwickelten Atomuhren mit eindimen­sio­nalen optischen Gittern alle Strontium­atome als separate Teilchen betrachtet werden, änderte sich dies deut­lich mit dem neuen drei­dimen­sio­nalen Aufbau. „Das wichtigste Poten­zial des drei­dimen­sio­nalen Quanten­gases liegt in der größeren Anzahl an Atomen, wodurch sich die Stabi­lität deut­lich ver­bessern ließ“, sagt Ye. Denn in dem Experi­ment bildeten die Strontium­atome ein degene­riertes Fermi-Gas mit dem großen Vorteil, dass sich die Atome gegen­seitig nicht stören konnten, beispiels­weise durch einzelne Zusammen­stöße.

Innerhalb des Fermi-Gases untersuchten die Forscher zwei um etwa sechs Mikro­meter räum­lich von­ein­ander getrennte Bereiche aus jeweils drei­tausend Strontium­atomen. Jeder Speicher­platz des optischen Gitters wurde dabei von genau einem Atom besetzt. Für beide Ensembles bestimmten sie die Resonanz­frequenz des elek­tro­nischen Über­gangs mit bisher uner­reichter Präzi­sion. So gelang es nach einer relativ kurzen Mess­zeit von bis zu zwei Stunden exakte Frequenz­werte mit extrem geringer Abwei­chung von 5 × 10^-19 zu bestimmen. Keine andere optische Atomuhr zuvor konnte in diese Größen­ordnung für die Präzi­sion und Stabi­lität, also der mög­lichst geringen Abwei­chung zwischen den gemes­senen Resonanz­frequenzen, vor­stoßen.

Mit ihrem Prototyp einer dreidimensionalen optischen Atomuhr legen die Wissen­schaftler eine wich­tige Grund­lage für noch genauere Atom­uhren. So planen Ye und Kollegen, die Anzahl der einge­fangenen Strontium­atome von der­zeit 10.000 bis auf 100.000 zu erhöhen. Parallel streben sie etwas höhere Tempera­turen von bis zu fünfzig Nano­kelvin, erreicht durch auf­wendige Laser­kühlung, an. Zudem könnte der würfel­förmige Raum, den die Atome ein­nehmen, weiter auf wenige Dutzend Mikro­meter schrumpfen.

Die NIST-Forscher behaupten mit ihrem Ansatz einer optischen Uhr aus einem degene­rierten Fermi-Gas ihre führende Stellung bei der Ent­wick­lung mög­lichst stabiler und präziser Zeit­messer. Doch ihre deutschen Kollegen von der Physi­ka­lisch-Tech­nischen Bundes­anstalt in Braun­schweig stehen ihnen kaum nach. Sie ent­wickelten optische Atom­uhren auf der Basis von Ytterbium­atomen und erzielten mit einer einzelnen Uhr erst im ver­gangenen Jahr einen Rekord­wert für die relative Mess­unge­nauig­keit von nur 3 × 10^-18 Sekunden. Auch diese Genauig­keit ist unge­fähr hundert­fach besser als die der besten Atom­uhren auf der Basis von elek­tro­nischen Über­gängen in Cäsium.

Jan Oliver Löfken

RK