Eine optische Gitteruhr auf Basis von Strontiumatomen erreicht beispiellose Genauigkeit

Forscher des Ye Lab am JILA (National Institute of Standards and Technology und University of Colorado Boulder) und der University of Delaware haben kürzlich eine hochpräzise optische Gitteruhr auf der Basis gefangener Strontiumatome entwickelt. Ihre Uhr, vorgeführt in einem Briefe zur körperlichen Überprüfung weist eine Gesamtsystemunsicherheit von 8,1 x 10-19 auf, die niedrigste bisher gemeldete Unsicherheit.

„Dieses Papier ist das Ergebnis eines jahrzehntelangen Strebens des Ye-Labors, 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 Messpräzision und -genauigkeit öffnet die Tür zur Erforschung neuer Phänomene und zur Entwicklung neuer Technologien.“

Die meisten existierenden Zeitmesstechnologien messen speziell die Periode, während der ein Elektron in einem Cäsiumatom schwingt. 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, darunter auch unsere, verwenden einen ‚optischen‘ Übergang, bei dem die Schwingungsfrequenz der Frequenz des sichtbaren Lichts ähnelt“, erklärte Aeppli. „Die Verwendung einer viel höheren Frequenz ist vergleichbar mit der Verwendung eines Lineals mit feineren Strichen, die eine Sekunde weiter unterteilen und sofort eine präzisere Zeitmessung ermöglichen.“

Ein Großteil der jüngsten Forschungen am Ye Lab des JILA zielte auf die Entwicklung von Atomuhren ab, die die Zeit mit hoher Genauigkeit messen können. Die neueste Studie von Aeppli und seinen Kollegen baut auf den Fortschritten auf, die sowohl am Ye Lab als auch an anderen Instituten weltweit erzielt wurden und die das Potenzial des Baus präziser optischer Gitteruhren mit Strontiumatomen hervorhoben.

„Eine typische Uhr besteht aus drei Komponenten: einem Oszillator, einem Zähler und einer Referenz“, sagte Aeppli. „Bei einer klassischen Pendeluhr ist der Oszillator ein Pendel, das einmal pro Sekunde hin und her schwingt. Ein Satz Zahnräder zählt diese Schwingung und bewegt den Sekunden-, Minuten- und Stundenzeiger. Die Referenz ist schließlich die Position der Sonne am Himmel. Mittag ist, wenn die Sonne direkt über uns steht.“

Optische Gitteruhren arbeiten nach denselben drei Prinzipien wie herkömmliche Uhren. Allerdings haben Oszillator, Zähler und Frequenzreferenz bei dieser Art von Uhr eine ganz andere Form.

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

„Der Frequenzkamm ist auf den Laser stabilisiert, und der Laser ist auf einen bestimmten elektronischen Übergang in den Strontiumatomen stabilisiert“, sagte Aeppli.

„Alle paar Sekunden richten wir den Laser 2,4 Sekunden lang auf die Atome. Wenn der Laser von der Atomresonanz abweicht, korrigieren wir diese Abweichung. Der Frequenzkamm wandelt optische Frequenzen in Mikrowellenfrequenzen um, und das Schöne an diesem Gerät ist, dass die Frequenzstabilität der Mikrowellenfrequenz dieselbe ist wie die der optischen Frequenzen.“

Nachdem der Frequenzkamm optische Frequenzen in Mikrowellenfrequenzen umgewandelt hat, werden die Perioden dieser Frequenzen durch einfache Elektronik analysiert, um 1 Sekunde auszugeben, die grundsätzlich an die Frequenz des Strontiumübergangs gebunden ist. In der von Aeppli und seinen Kollegen entwickelten Uhr sind die Strontiumatome in einer stehenden Lichtwelle gefangen, die von zwei Spiegeln erzeugt wird.

„Ähnlich wie in einem Gitter sind die Atome in diesem Licht auf periodische Weise eingeschlossen, wobei sich alle 0,5 µm eine Ansammlung von wenigen Atomen befindet“, erklärte Aeppli.

„Mit dieser Technologie können wir einhunderttausend Strontiumatome gleichzeitig einfangen, was bedeutet, dass wir bei jeder Messung der Strontiumübergangsfrequenz viele Atome gleichzeitig messen können, was zu einer sehr präzisen Messung führt. Dies steht im Gegensatz zu ionenoptischen Uhren, die einen elektronischen Übergang innerhalb eines einzelnen eingefangenen Ions verwenden, was bedeutet, dass jede Messung viel mehr Rauschen verursacht.“

Obwohl optische Gitteruhren bisher eine außerordentliche Genauigkeit bei der Zeitmessung aufwiesen, können sie auch mit Einschränkungen verbunden sein. Insbesondere ihr zugrundeliegendes Design, das auf der Einfangung von Licht basiert, kann ihre Genauigkeit beeinträchtigen, da es die Übergangsfrequenz verschieben kann.

Im Vergleich zu früher vorgeschlagenen optischen Gitteruhren nutzt die von Aeppli und seinen Kollegen vorgestellte Uhr eine Lichtfalle mit geringerer Intensität, was ihre Genauigkeit deutlich erhöht.

„Viele unserer Erfolge bei dieser Arbeit sind relativ technischer Natur“, sagte Aeppli. „Eine der größten Verschiebungen bei optischen Strontium-Gitteruhren resultiert aus Wechselwirkungen mit der thermischen Emission aus der Umgebung. Jetzt sind wir besser in der Lage, diesen Effekt zu charakterisieren und zu verstehen, wie er die natürliche Übergangsfrequenz des Strontiumatoms verschiebt.“

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

„Im weiteren Maßstab hoffen wir, dass unsere Arbeit zeigt, dass es einen weiteren Weg hin zur Herstellung genauerer Uhren gibt und wir bislang noch keine grundsätzlichen Grenzen für die Genauigkeit von Uhren erkennen“, sagte Aeppli.

„Obwohl wir eine Uhr mit hervorragender Genauigkeit konstruiert haben, müssen wir sie noch verwenden, um die Zeit abzulesen. 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 sie mit ihren Plattformen zu vergleichen.“

Forscher am Ye Lab führen derzeit verschiedene andere Uhrenexperimente durch, die jeweils darauf abzielen, Ansätze für den Bau fortschrittlicherer Atomuhren zu entwickeln.

Zwei vielversprechende Ansätze, die sie untersuchen, beinhalten die Nutzung der Quantenverschränkung zur Reduzierung des Rauschens bei der Messung der Übergangsfrequenz und die Verwendung eines nukleare Transformationwas möglicherweise zu noch besseren Genauigkeiten führt.

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