Neue Sisyphus-Kühltechnik könnte die Präzision von Atomuhren verbessern

Forscher der Neutral Atom Optical Clocks Group am National Institute of Standards and Technology (NIST), der University of Colorado und der Pennsylvania State University haben kürzlich eine neue Sub-Recoil-Sisyphus-Kühltechnik entwickelt, die dazu beitragen könnte, die Präzision von Atomuhren zu verbessern.

Diese Technik, beschrieben in einem Papier veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungwurde ursprünglich verwendet, um eine hochleistungsfähige optische Gitteruhr auf Ytterbiumbasis zu entwickeln, könnte aber auch bei der Entwicklung anderer Uhren und Werkzeuge für die Quantenmetrologie hilfreich sein.

„Präzisionsspektroskopie ist ein sehr breites Forschungsfeld mit einer langen Geschichte“, sagte Chun-Chia Chen, Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org. „Atomphysiker führen Spektroskopiestudien an Objekten durch, die von Atomen und Ionen bis hin zu Molekülen und mehr reichen. Vielleicht überraschenderweise wurde hochpräzise Spektroskopie auch an Antimaterie durchgeführt, einem aktiven Forschungsfeld, das derzeit am CERN erforscht wird.“

Beim Versuch, die Genauigkeit und Präzision von Atomuhren zu verbessern, stießen Chen und seine Kollegen am NIST auf ein Papier, das ein neues Schema für die Sisyphus-Laserkühlung von Wasserstoff und Antiwasserstoff skizzierte. Inspiriert von diesem Schema machten sie sich daran, einen ähnlichen Kühlansatz zu entwickeln, der die Leistung ihrer Atomuhren verbessern könnte.

Atomuhren sind Zeitmessgeräte, die der Schwingungsbewegung von Atomen eine Frequenz zuordnen. Der Betrieb dieser Uhren beruht auf hochpräzisen Spektroskopietechniken, die sich auf Atomzustände mit langer Lebensdauer und einer ultraschmalen Übergangslinienbreite zwischen diesen Zuständen beziehen, die typischerweise im Sub-Hz-Bereich liegt.

„Traditionell nutzen wir diese ultraschmale Spektroskopiefunktion zur Frequenzstabilisierung, die als Kernidee für aktuelle Frequenzstandards und optische Atomuhren auf dem neuesten Stand der Technik dient“, erklärte Chen. „Bevor wir jedoch die hochpräzise Spektroskopie durchführen, nutzen wir die ultraschmale Anregung zusammen mit einem anderen Quantentechnik-Tool zur Implementierung der Sisyphus-Kühlung.“

Im Wesentlichen haben Chen und seine Kollegen die Energieverschiebung ihres angeregten Uhrenzustands strategisch nach einem periodisch modulierten Muster konstruiert. Mit dieser Methode konnten sie den Ort, an dem eine Uhrenleitungsanregung innerhalb ihres Sisyphus-Kühlprozesses stattfindet, präzise steuern.

„Genauer gesagt konfigurieren wir den Anregungszustand so, dass er vorzugsweise an der Position auftritt, die dem Tiefpunkt der periodischen Potentiallandschaft entspricht“, sagte Chen. „Einmal angeregt verlieren Atome ihre kinetische Energie, indem sie das Potential erklimmen und verlassen die Potentiallandschaft vorzugsweise abseits des Potentialminimums. Die Abkühlung wird nach wiederholtem Erklimmen des Energiepotentials erreicht.“

Im Rahmen ihrer jüngsten Studie demonstrierten die Forscher ihr Sisyphus-Kühlschema, indem sie den ultraschmalen Übergang einer optischen Gitteruhr auf Ytterbiumbasis nutzten. Derselbe Ansatz sollte jedoch theoretisch auch auf andere Systeme anwendbar sein, die mit schmalen Linienbreitenübergängen ausgestattet sind.

„In den letzten zwei Jahrzehnten konnte das Ziel, eine hochpräzise Uhrenspektroskopie an neutralen Atomen zu realisieren, am besten dadurch erreicht werden, dass man für Atome sowohl im Grundzustand als auch im angeregten Uhrenzustand identische Einfangbedingungen schuf“, erklärte Chen.

„Dies wird erreicht, indem eine Falle konstruiert wird, die durch Laser in eine stehende Welle geformt wird und die bei einer sogenannten magischen Wellenlänge arbeitet. In dieser Situation ist ein Unterschied im Einfangspotential, das die Atome in den beiden Atomzuständen spüren, im Wesentlichen ein Feind der Realisierung einer hochpräzisen Uhrenspektroskopie.“

Die jüngsten Bemühungen zur Weiterentwicklung der Uhrenspektroskopie haben daher Strategien untersucht, um die Potentialdifferenz zwischen Grundzustand und angeregtem Uhrenzustand zu minimieren. Um diese Herausforderung anzugehen, konzentrierten sich Chen und seine Kollegen auf die Verbesserung der Kühlung der Proben, bevor sie die hochpräzise Uhrenspektroskopie durchführten.

„Um eine verbesserte Kühlung während der Probenvorbereitung vor der Durchführung der Uhrspektroskopie zu erreichen, führten wir vorübergehend eine konstruierte, räumlich abhängige Verschiebung des angeregten Zustands ein, die eine größere und nicht kleinere Fallenpotentialdifferenz für die beiden Uhrzustände einführte“, sagte Chen.

„Dadurch konnten wir den Sisyphus-Kühlmechanismus realisieren, der wiederum später die Probenbedingungen für eine bessere Uhrenspektroskopie mit geringerer Fallenpotentialdifferenz verbesserte. Darüber hinaus halfen uns die kühleren Temperaturen dabei, flachere Fallen an den Atomen zu verwenden, was diese Differenz ebenfalls verringerte.“

Die neue Sisyphus-Kühltechnik, die dieses Forscherteam entwickelt hat, könnte bald dazu beitragen, die Präzision anderer optischer Uhrensysteme zu verbessern. Darüber hinaus könnte sie zum Kühlen von Proben für andere aufkommende Technologien verwendet werden, darunter Quanteninformationsverarbeitungs- und -computersysteme. In ihren nächsten Studien planen diese Forscher, ihre Sisyphus-Kühltechnik weiter einzusetzen, um die Genauigkeit optischer Gitteruhren zu verbessern, die am NIST entwickelt wurden.

„Die zusätzliche Kühlung ermöglicht es uns, Atomensembles mit gleichmäßigeren Bedingungen innerhalb der Laserfalle für stehende Wellen mit magischer Wellenlänge zu erzeugen“, ergänzt Forscher Andrew Ludlow. „Dies wiederum ermöglicht es uns, kleine Effekte des einfangenden Lasers auf die Taktfrequenz sorgfältiger und präziser zu charakterisieren.“

„Darüber hinaus ermöglichen uns die niedrigeren Temperaturen, die Atome in noch schwächeren Laserfallen festzuhalten, in denen die unerwünschten Einfangeffekte noch geringer sind. Nach einigen sorgfältigen Messungen, an denen wir derzeit arbeiten, wird sich all dies in einer verbesserten Uhrengenauigkeit niederschlagen.“

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