09.10.2020

Weniger Störungen für optische Atomuhren

Neues Verfahren zur Unterdrückung von Frequenzverschiebungen entwickelt.

Optische Atomuhren sollen die ungestörte Frequenz eines atomaren Übergangs realisieren. Konsequente Weiter­entwicklungen solcher Atomuhren machen sie zu den genauesten Mess­instrumenten, die heutzutage zur Verfügung stehen. Ein Forschungs­schwerpunkt bildet dabei die Entwicklung von Verfahren zur genauen Kontrolle oder Eliminierung von Frequenz­verschiebungen durch äußere Störeinflüsse. Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundes­anstalt (PTB) haben nun eine neue Methode zur Unterdrückung bestimmter richtungs­abhängiger Frequenz­verschiebungen entwickelt. Das Verfahren basiert auf der Rotation eines Magnetfeldes während der Spektroskopie und wurde erfolgreich an einer 171Yb+-Einzel­ionenuhr demonstriert. Dabei wurde der Frequenzfehler durch eine bewusst erzeugte Störung auf unter 0,5 Prozent reduziert.

Abb.: Einzel­ionenfalle zur Untersuchung der kohärenten Magnetfeld­rotation....
Abb.: Einzel­ionenfalle zur Untersuchung der kohärenten Magnetfeld­rotation. (Bild: PTB)

Für genauere optische Atomuhren ist es zunächst notwendig, die atomaren Übergänge, die Atomuhren als Frequenz­referenz nutzen, bestmöglich gegenüber äußeren Störeinflüssen abzuschirmen. Die aus verbleibenden Störungen resultierenden Frequenz­verschiebungen müssen mit geeigneten Verfahren unterdrückt oder exakt gemessen werden, damit sie die Genauigkeit der Uhr nicht limitieren. Für eine bestimmte Art von Störung mit richtungs­abhängigem Charakter, wie die Quadrupol­verschiebung durch elektrische Feldgradienten, wird eine vollständige Unterdrückung erzielt, indem über drei Messungen gemittelt wird, bei denen das Atom entlang dreier zueinander senkrecht stehender Richtungen orientiert ist. Die innere Symmetrie der atomaren Zustände sorgt dafür, dass das Ergebnis der Mittelung von der äußeren Störung unbeeinflusst ist. Die Orientierung des Atoms entspricht der Richtung eines von außen angelegten Magnet­feldes. Die Forscher haben nun ein neues Verfahren vorgestellt, das die Unterdrückung solcher Frequenz­verschiebungen innerhalb einer einzelnen Messung ermöglicht, sodass also keine Mittelung mehr nötig ist. 

Für die spektro­skopische Präzisions­messung in Atomuhren werden die Atome mit zwei Lichtpulsen angeregt, die von einer Dunkelzeit getrennt sind. Der während dieser Dunkelzeit akkumulierte Phasen­unterschied zwischen dem Atom und der Laserquelle der Lichtpulse stellt die spektroskopische Information dar. Störeinflüsse, die während der Dunkelzeit auf das Atom einwirken, führen zu einer Änderung der Frequenz und damit zu einem anderen Phasen­unterschied. Für die Unterdrückung von richtungs­abhängigen Frequenz­verschiebungen wird nun in der Dunkelzeit das von außen angelegte Magnetfeld langsam und kontinuierlich um eine feste Achse gedreht, sodass sich über die gesamte Dunkelzeit gesehen ein Mittelwert von Null für die Frequenz­verschiebung einstellt. Neben der Unterdrückung innerhalb einer einzigen Messung besteht ein großer Vorteil der Methode darin, dass die Orientierung des Atoms während der Lichtpulse beliebig gewählt werden kann. Ähnliche Verfahren sind bereits aus der Kernspinresonanz-Spektro­skopie bekannt, bei denen die zu untersuchende Probe mit einem festen, „magischen“ Winkel gegenüber einem äußeren Magnetfeld gedreht wird.

Die neue Methode wurde erfolgreich an einer 171Yb+-Einzel­ionenuhr an der PTB getestet. Ein starker elektrischer Feldgradient wurde künstlich erzeugt und die hervorgerufene Frequenz­verschiebung mithilfe der Magnetfeldrotation um mehr als zwei Größen­ordnungen unterdrückt. Damit können Störungen dieser Art, die zum Beispiel durch Ladungen auf Isolatoren im Inneren der Vakuumapparatur auftreten, so weit unterdrückt werden, dass sie beim Betrieb der Atomuhr vernach­lässigbar sind. Die einfache Umsetzung des Verfahrens nur mithilfe eines dynamischen Magnetfeldes ermöglicht eine direkte Übertragung auf weitere Hoch­präzisions-Experimente.

PTB / JOL

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