Extrem genaue optische Atomuhr

Strontiumatome im Lichtgitter können die Zeit bald wesentlich präziser angeben als heutige, mit Mikrowellen arbeitende Cäsiumatomuhren.

Mit ultrahochauflösender Laserspektroskopie an Strontiumatomen ist es jetzt am JILA in Boulder gelungen, die Frequenz eines optischen Übergangs auf 1 Hertz genau zu messen. Dadurch werden optische Atomuhren möglich, die schon bald wesentlich präziser die Zeit angeben könnten als heutige, mit Mikrowellen arbeitende Cäsiumatomuhren. Zudem hätten solche Strontiumuhren ein deutlich besseres Signal-Rausch-Verhältnis als konkurrierende optische Atomuhren, die mit einzelnen Ionen arbeiten.

Strontium-87-Atome besitzen einen „doppelt verbotenen“ Übergang zwischen den Zuständen ¹S ₀ und ³P ₀, der aber in Wirklichkeit „schwach erlaubt“ ist, weil die beiden Zustände durch Hyperfeinwechselwirkung miteinander mischen (Abb.). Das führt dazu, dass ein Strontiumatom im ³P ₀-Zustand schließlich doch in den ¹S ₀-Zustand übergeht, wenn auch erst nach etwa zwei Minuten. Entsprechend klein ist die intrinsische Linienbreite des Übergangs: Sie beträgt nur etwa 1 mHz. Die Schwingungen dieses optischen Übergangs, dessen Wellenlänge 698 nm beträgt, lassen sich mit dem von Theodor Hänsch entwickelten Frequenzkammverfahren auszählen. Eine darauf aufbauende Zeitmessung wäre etwa tausendmal genauer als heutige Atomuhren.

Abb.: Energiediagramm der optischen Übergänge von Strontium-87. Durchgezogene Pfeile stehen für erlaubte Übergänge (Wellenlängen in nm). Gestrichelte Pfeile zeigen „schwach erlaubte“ Übergänge (s. Text). (Quelle: Boyd et al.)

Die tatsächlich messbare und für eine Atomuhr praktisch nutzbare Linienbreite des Strontiumübergangs ist jedoch zumeist größer, da die Bewegungen der Atome sowie störende Magnetfelder zu einer Linienverbreiterung führen. Bei einzelnen Ionen, die man in Fallen festhalten und weitgehend abschirmen kann, lässt sich die unerwünschte Linienverbreiterung stark reduzieren. So hat man vor einem Jahr am NIST in Boulder für ein Quecksilberion die Frequenz eines bestimmten ultravioletten Übergangs auf 1 Hz genau gemessen und damit eine Rekordpräzision von 9×10 ^–16 erreicht. Die relativen Frequenzschwankungen betrugen sogar nur 7×10 ^-17 und waren damit geringer als die der Cäsiumuhren.

Ein einzelnes Ion leuchtet allerdings sehr schwach. Will man das Verhältnis zwischen Signal und Rauschen verbessern, so muss man die Übergangsfrequenz an einer großen Zahl von Atomen gleichzeitig messen. Das geht nur mit ungeladenen Atomen, deren unerwünschte Linienverbreiterung man aber bisher noch nicht so gut in den Griff bekommen konnte wie die von einzelnen Ionen. Hier haben nun Jun Ye und seine Kollegen in Boulder einen großen Fortschritt erreicht. Sie haben die erwähnte Übergangsfrequenz des Strontiums auf 1 Hz genau messen und damit für neutrale Atome eine Rekordgenauigkeit von 2,5×10 ^–15 erreicht. Die auftretenden relativen Frequenzschwankungen betrugen sogar nur 9×10 ^–16 und waren schon jetzt mit denen der Cäsiumuhren vergleichbar.

Bei ihrem Experiment haben die JILA-Physiker etwa 20.000 Strontiumatome in einer magneto-optischen Falle festgehalten und auf 1,5 µK gekühlt. Dann setzten sie die ultrakalte Atomwolke einem optischen Gitter aus – einer stehenden Lichtwelle, die durch die Überlagerung zweier gegenläufiger Laserstrahlen gebildet wurde. Die Atome verteilten sich in diesem optischen Gitters auf etwa 80 Potentialmulden. Der Einschluss der Atome in den Mulden führte dazu, dass die elektronischen Anregungen der Atome nicht durch deren Bewegungen oder durch den Rückstoß von Photonen gestört wurden. Außerdem sorgten Helmholtz-Spulen dafür, dass sich die Atome in einer magnetfeldfreien Umgebung befanden.

Mit einem Diodenlaser wurde dann der „schwach erlaubte“ Übergang des Strontiums angeregt. Dabei wurde die Laserfrequenz so lange verändert, bis es zur Resonanz kam und besonders viele Strontiumatome in den angeregten Zustand übergingen. Gleichzeitig wurde mit Hilfe eines Frequenzkamms die Frequenz des Diodenlasers mit der Frequenz eines Wasserstoffmasers verglichen, die wiederum mit einer Cäsiumuhr kalibriert worden war. Die Forscher geben folgenden Wert für die von ihnen gemessene Übergangsfrequenz an: 429.228.004.229.874,0 (1,1) Hz, wobei die Messungenauigkeit in Klammern steht. Besser wäre es natürlich, wenn man diese Frequenz direkt mit der einer anderen optischen Atomuhr vergleichen würde. Ob in Zukunft einzelne Ionen oder Atomwolken den Takt in einer optischen Atomuhr vorgeben, ist noch offen. Doch vieles deutet darauf hin, dass optische Atomuhren schon bald an die Stelle der Cäsiumuhren treten werden.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  Martin M. Boyd et al.: Optical Atomic Coherence at the 1-Second Time Scale. Science 314, 1430 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1133732
  http://arxiv.org/abs/physics/0610096
  Martin M. Boyd et al.: ⁸⁷Sr lattice clock with inaccuracy below 10 ^-15.
  http://arxiv.org/abs/physics/0611067
• Gruppe von Jun Ye am JILA in Boulder:
  http://jilawww.colorado.edu/YeLabs/
• Arbeitsgruppe Zeitnormale an der PTB in Braunschweig:
  http://www.ptb.de/de/org/4/44/441/_index.htm
• Time and Frequency Division am NIST in Boulder:
  http://tf.nist.gov/

Weitere Literatur:

• Andrew D. Ludlow et al.: Systematic study of the ⁸⁷Sr clock transition in an optical lattice. Phys. Rev. Lett. 96, 033003 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.033003
  http://arxiv.org/abs/physics/0508041
• Rodolphe Le Targat et al.: Accurate Optical Lattice Clock with ⁸⁷Sr Atoms. Phys. Rev. Lett. 97, 130801 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.130801
  http://arxiv.org/abs/physics/0605200
• Hidetoshi Katori et al.: Ultrastable Optical Clock with Neutral Atoms in an Engineered Light Shift Trap. Phys. Rev. Lett. 91, 173005 (2003).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.173005
  http://arxiv.org/abs/physics/0309043