Forscher vereinfachen das Design optischer Atomuhren ohne Leistungseinbußen

Forscher haben eine neue optische Atomuhr vorgestellt, die einen einzelnen Laser verwendet und keine kryogenen Temperaturen benötigt. Durch die deutliche Reduzierung der Größe und Komplexität von Atomuhren ohne Einbußen bei Genauigkeit und Stabilität könnte dieser Fortschritt zu leistungsstarken Atomuhren führen, die kompakt und tragbar sind.

„In den letzten zwei Jahrzehnten wurden viele große Fortschritte bei der Leistung von Atomuhren der nächsten Generation erzielt“, sagte Forschungsteamleiter Jason Jones von der University of Arizona.

„Viele dieser Systeme sind jedoch nicht für den Einsatz in realen Anwendungen geeignet. Um diese fortschrittliche Technologie aus dem Labor zu holen, verwenden wir ein vereinfachtes Design, bei dem ein einzelner Frequenzkammlaser sowohl als Pendel oder Tickmechanismus der Uhr als auch als Getriebe fungiert, das die Zeit misst.“

Frequenzkämme – eine Art Laser, der Tausende von regelmäßig angeordneten Farben oder Frequenzen aussendet – waren für Atomuhren und die Zeitmessung revolutionär. In der Zeitschrift Optik BuchstabenJones und Kollegen beschreiben eine optische Atomuhr, die einen Frequenzkamm verwendet, um einen Zwei-Photonen-Übergang in Rubidium-87-Atomen direkt anzuregen. Sie zeigen, dass dieses neue Design die gleiche Leistung erreicht wie eine herkömmliche optische Atomuhr mit zwei Lasern.

„Dieser Fortschritt könnte auch dazu beitragen, das GPS-Netzwerk zu verbessern, das auf satellitengestützten Atomuhren basiert, indem er die Leistung verbessert und Backup- oder Alternativuhren leichter zugänglich macht“, sagte Seth Erickson, der Erstautor der Studie.

„Es ist auch ein erster Schritt, um hochleistungsfähige Atomuhren in Alltagsanwendungen und sogar in Privathaushalte zu bringen. So könnte das Telekommunikationsnetz beispielsweise sehr schnell zwischen verschiedenen Gesprächen umschalten. Dies könnte es vielen Menschen ermöglichen, gleichzeitig über dieselben Telekommunikationskanäle zu kommunizieren und die Datenraten zu erhöhen.“

Vereinfachung der erweiterten Zeiterfassung

Bei einer optischen Uhr bewirkt die Anregung atomarer Energieniveaus mit einem Laser, dass Atome zwischen bestimmten Energieniveaus wechseln. Die genaue Frequenz dieser Übergänge dient als „Tick“ der Uhr und ermöglicht eine hochpräzise Zeitmessung. Obwohl tragbare optische Atomuhren im Chipmaßstab entwickelt wurden, verwenden die genauesten und stabilsten optischen Uhren Atome, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gefangen sind, um die Atombewegung zu minimieren, die die von den Atomen erfahrenen Laserlichtfrequenzen verändern kann.

Um eine solch extreme Kühlung zu vermeiden, verwendeten Jones und seine Kollegen atomare Energieniveaus, die die Absorption von zwei Photonen – statt einem Photon – erfordern, um auf ein höheres Energieniveau zu gelangen. Wenn Photonen aus entgegengesetzten Richtungen auf das Atom gesendet werden, heben Bewegungseffekte auf einem dieser Photonen alle Bewegungseffekte auf dem anderen Photon auf. Dies ermöglicht die Verwendung heißer (100 °C) Atome und ein deutlich einfacheres Uhrendesign.

„Eine wesentliche Neuerung dieser Arbeit besteht darin, dass wir nicht mit einem einfarbigen Laser Photonen aus allen Richtungen auf das Atom senden, sondern ein breites Farbspektrum aus einem Frequenzkamm“, sagte Jones.

„Die Verwendung der richtigen Photonenpaare mit unterschiedlichen Farben aus dem Frequenzkamm ermöglicht es, dass sie sich auf die gleiche Weise addieren wie zwei Photonen aus einem Einfarblaser, wodurch das Atom auf ähnliche Weise angeregt wird. Dadurch wird kein Einfarblaser mehr benötigt, was die Atomuhr weiter vereinfacht.“

Die Forscher sagen, dass die weitverbreitete Verfügbarkeit kommerzieller Frequenzkämme und robuster Faserkomponenten wie Bragg-Gitter bei Telekommunikationswellenlängen die Entwicklung dieses neuen Designs erheblich erleichtert hat. Sie verwendeten Faser-Bragg-Gitter, um das Breitband-Frequenzkammspektrum auf weniger als 100 GHz einzugrenzen, zentriert auf den Atomübergang von Rubidium-87. Dieses eng gefilterte Spektrum vergrößerte die Überlappung zwischen dem Frequenzkammausgang und dem Anregungsspektrum für die Rubidium-87-Atome.

Uhrenvergleich

Um den neuen Ansatz zu testen, verglichen die Forscher zwei nahezu identische Versionen der neuen direkten Frequenzkammuhr mit einer herkömmlichen Uhr, bei der zusätzlich ein Einzelfrequenzlaser zum Einsatz kam. Die neuen Uhren zeigten eine gleichbleibende Leistung mit Instabilitäten von 1,9×10−13 bei 1 Sekunde und einem Durchschnitt von bis zu 7,8(38)×10−15 bei 2600 Sekunden. Diese Leistung war ähnlich der der herkömmlichen Uhr und anderer veröffentlichter Ergebnisse mit einer Einzelfrequenzlaserarchitektur.

Die Forscher arbeiten nun daran, ihr optisches Atomuhrdesign zu verbessern, indem sie es kleiner und langfristig stabiler machen und neue Fortschritte in der Lasertechnologie einbeziehen. Der direkte Frequenzkamm-Ansatz könnte auch bei anderen Zwei-Photonen-Atomübergängen verwendet werden, darunter auch bei solchen, für die derzeit keine rauscharmen Einzelfrequenzlaser verfügbar sind.