Schritt zu Atomuhren der nächsten Generation geglückt Atome in optischer Atomuhr gefangen - scinexx | Das Wissensmagazin
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Schritt zu Atomuhren der nächsten Generation geglückt

Atome in optischer Atomuhr gefangen

Schematische Darstellung eines optischen Gitters. Die Atome werden in den Intensitätsmaxima der stehenden Welle Gitters gefangen. Bei der „magischen Wellenlänge ist die Verschiebung zwischen den beiden Zuständen der Uhr genau gleich und damit kann die Linien ungestört beobachtet werden. © PTB

Optische Uhren schwingen noch schneller als die bisher genauesten Atomuhren – und könnte daher noch genauer und stabiler sein. Jetzt ist es erstmals gelungen, Atome in einem optischen Gitter einer solchen Uhr schnell genug und lange genug einzufangen, um ihre Frequenz zu messen – ein wichtiger Schritt hin zu den Uhren der nächsten Generation.

Optische Uhren könnten nach Ansicht vieler Experten die Atomuhren der Zukunft werden. Das „Pendel“ solcher Uhren besteht aus einer Schwingung im Bereich des sichtbaren Lichts. Weil dessen Frequenz höher ist als bei den Mikrowellenschwingungen der bisher üblichen Cäsium-Atomuhren, erwarten Physiker noch einmal eine Steigerung in der Genauigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit.

Strontiumatome im optischen Gitter

Bei einer der Kandidatinnen für eine optische Uhr, die in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelt wird, werden Strontiumatome im Interferenzmuster zweier Laserstrahlen festgehalten. In diesem optischen Gitter kann dann das atomare „Pendel“, das heißt die Absorptionsfrequenz der Atome, sehr genau gemessen werden. Als extrem schmale Linie kann sie bei der so genannten „magischen Wellenlänge ungestört beobachtet werden.

Um eine hohe Stabilität dieser Uhr zu erreichen, ist es jedoch erforderlich, eine hohe Zahl von Atomen in kürzester Zeit in dieses Gitter zu laden. Die Wissenschaftler der PTB haben jetzt das Laden kalter Atome in ein optisches Gitter soweit optimiert, dass innerhalb von 150 Millisekunden etwa 106 Strontiumatome bei einer Temperatur von wenigen Mikrokelvin in das Gitter eingefügt werden. Die Atome bleiben dort über eine Sekunde lang gespeichert und stehen für eine Präzisionsmessung der optischen Frequenz zur Verfügung.

Dazu werden Strontiumatome durch Laserlicht abgebremst, in eine magneto-optische Falle geladen und dort bis auf 1 µK abgekühlt. Gleichzeitig wird eine Stehwelle bei der magischen Wellenlänge (813 nm) mit 600 mW Leistung mit den ultrakalten Atome überlagert. Die Atome werden beobachtet, indem der Schatten, den die Atomwolke durch die Absorption eines resonanten Laserstrahls wirft, mit einer CCD Kamera aufgenommen wird.

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Absorptionsbilder in Falschfarbendarstellung von Strontiumatomen als Funktion der Zeit nach Abschalten der magnetooptischen Falle. © PTB

Eine Reihe von Absorptionsbildern, die für verschieden Zeiten nach Abschalten der magneto-optischen Falle aufgenommen wurden, zeigt die in dem optischen Gitter gefangenen Atome und die unter dem Einfluss der Schwerkraft fallende Wolke der nicht gespeicherten Atome.

Der mit dieser Methode erreichte Wert würde bereits ausreichen, um die SI-Basiseinheit Sekunde neu zu definieren, wenn weitere Untersuchungen und internationale Vergleiche zeigen, dass diese Frequenz genau genug bestimmbar ist.

(PTB, 06.02.2008 – NPO)

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