Atomuhren

Volker Diete-Wendl 15.06.2011

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Gliederung• Definition einer Sekunde• Motivation• Grundidee einer Atomuhr• Arten von Atomuhren

– Cäsium Uhren– Optische Atomuhren– Kompakte Atomuhren

• Ausblick• Zusammenfassung

Definition einer Sekunde 3

Definition einer SekundeBis 1967 ist die Sekunde über astronomische Messungen definiert

• Ephemeridensekunde:

1/315.569.259.747 des tropischen Jahres vom 31.Dezember 1899 um 12:00 Uhr

Definition einer Sekunde 4

Definition einer Sekunde

Ab 1967 ist die Sekunde im SI Einheitensystemüber ein atomares Zeitnormal definiert

• Atomsekunde:

„Eine Sekunde ist das 9.192.631.770-fache derPeriodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung“

Motivation 5

Verwendung von Atomuhren

• Höhere Auflösung in der Radioastronomie

• Messung von Pulsarperioden

• Abgleichen von Telekommunikationssignalen

• Bestätigung der Relativitätstheorie: Zeitdilatation

• Navigation / GPS

• Geodäsie

• Messung der Konstanz von Naturkonstanten

• Festlegung internationalen Atomzeit (TAI)

Grundidee einer Atomuhr 6

Grundidee einer Atomuhr• Periodische Prozesse sind

Grundlage einer genauen Uhr• Atome sind idealerweise identisch

(=>weltweite Vergleichbarkeit)

Prinzip einer Atomuhr• Referenzuhr wird mit Frequenz

eines atomaren Übergangs abgeglichen

Grundidee einer Atomuhr 7

Funktionsweise einer Atomuhr

Bedingungen für eine hohe Genauigkeit

• Schmale Natürliche Lininenbreite des Übergangs

• Lange Wechselwirkungszeit mit der Probe

• ΔfΔt≥0.5• Gute Isolation der Atome

Grundidee einer Atomuhr 8

Physikalische Grenzen• Quantum projection noise

(statistische Unsicherheit beim Messen)• Relative Unsicherheit:

NTf

C

NMTf

C

f

f

000 22

Messdauer Absolute

Messungender Anzahl M

machen ngden Überga die Atomeder Anzahl N

Probeder mit rkungszeit WechselwiT

Konstante C

Übergangsdes Frequenz 0

f

Grundidee einer Atomuhr 9

Termschema von Cäsium

Verschiebung der Spektrallinien z.B. Stark-Effekt, quadratischer Zeeman-Effekt

Grundidee einer Atomuhr 10

Messwerte mittels Ramsey Spektroskopie

Grundidee einer Atomuhr 11

Bloch Kugel

1. Anregung vom Grundzustand mit π/2-Puls

2. Kohärente Überlagerung von Grund- und angeregtem Zustand

3. Oszillation des Blochvektors aufgrund der Anregung

4. Zweiter π/2-Puls wirkt in Abhängigkeit der Phasenlage des Blochvektors 2 nT

)12( nT

)21(2

1i

Grundidee einer Atomuhr 12

Messwerte einer Cäsium-Fontäne mittels Ramsey Spektroskopie

Die Ramsey Methode hängt nur noch von der Flugzeit, nicht mehr von der Wechselwirkungszeit ab

Atomstrahluhr 13

1. Cäsium Quelle

2. Zustandsselektion durch inhomogenes Magnetfeld

3. Hohlraumresonator zur Anregung

4. Zustandsselektor

5. Detektor

1

24

3

5

1410

Schematischer Aufbau einer Atomstrahluhr

Atomstrahluhr 14

Atomstrahluhr im Querschnitt

Atomstrahluhr 15

Primäre Atomuhr CS 2 am PTB

Cäsium-Fontäne 16

Schematischer Aufbau

einer Cäsium-Fontäne

1. Atomfalle(~107 Atome,~1μK)

2. 2 Führungslaser

3. Mikrowellenresonator

4. Anregungslaser zur Detektion mittels Fluoreszenz

5. Detektor

16105

Cäsium-Fontäne 17

Cäsium-Fontäne Atomuhr

NIST-F1: Abweichung von 1 Sekunde in 60 Millionen Jahren

Optische Uhren 18

Optische Uhren

Optische Uhren mit einzelnen Ionenz.B. Al+, Hg+

Optische Uhren mit vielen Atomen z.B. H2, Ca, Sr

17102.5

Optische Uhren 19

Vorteile optischer Uhren• Deutlich höhere Frequenz des

optischen Übergangs• Laser als stabile

Frequenzquelle durch high finesse cavity

Probleme bei optischen Uhren

• Zeitvergleich über Satellit zu ungenau

• Direkte Messung an Al+ schwierig

• Messung von hohen Frequenzen

Lösung• Signalübertragung per

Glasfaser• Spectroscopy using Quantum

logic(P.O.Schmidt): Sympathetisches Kühlen von Ionen

• Frequenzkamm misst hohe Frequenzen

NTf

C

f

f

00 2

Optische Uhren 20

Frequenzkamm• Optische Übergänge sind im Bereich 1015 Hz• Problem: Elektronisch nur Frequenzen bis 1011 Hz messbar

Optische Uhren 21

Aufbau einer optischen Uhr

Wie misst man eine Uhr die genauer als andere Uhren geht?

Optische Uhren 22

Abschätzung der Genauigkeit

Wichtiger als systematische Störungen selber, ist wie genau man die Störungen bestimmen kann!

2.3·10-17 1.9·10-17

[10-18]

Optische Uhren 23

„Lattice“ Uhren1810

Kompakte Atomuhren 24

Kompakte AtomuhrenVorteile:• Kleiner• Leichter• Billiger

Nachteile:• Ganggenauigkeit:

2.5·10-10s in 1s

35.9 mmV

Ausblick 25

Ausblick• PARCS:

Primary Atomic Reference Clock in Space

• „Lattice“ Atomuhren

NTf

C

f

f

00 2

19103

Zusammenfassung 26

Zusammenfassung• SI Sekunde ist über atomaren Übergang definiert• Atomuhren vergleichen Oszillatorfrequenz mit der

stabilen Frequenz eines atomaren Übergangs• Cäsum-Fontäne Atomuhren als aktueller Standard

mit relativer Abweichung von 5·10-16

• Optische Atomuhren als kommender Standard mit

relativer Abweichung von 10-18

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Danke für die Aufmerksamkeit