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FP7

clockLight Ergebnis in Kürze

Project ID: 304084
Gefördert unter: FP7-PEOPLE
Land: Finnland

Die Sekunde neu definiert

Mit finanzieller Unterstützung der EU haben Spezialisten für optische Uhren erhebliche Fortschritte in Richtung einer hochgenauen transportierbaren Uhr gemacht, mit der die Sekunde mit dem niedrigsten erreichbaren Unsicherheitsgrad neu definiert werden kann.
Die Sekunde neu definiert
Als das Internationale Einheitensystem (SI) formuliert wurde, wurde die Dauer einer Sekunde nach der Ephemeridenzeit definiert. Die Messung der Übergangsfrequenz des Grundzustands von Cäsium Boden bot eine neue, genauere Definition als Alternative zur Ephemeridenzeit-Sekunde.

Im Laufe der Jahre erschien eine neue Generation von Atomuhren auf der Basis von optischen Übergängen und ihre ungestörte Frequenzgenauigkeit ermöglichte eine Genauigkeit, die frühere Realisierungen der SI-Sekunde übertraf. Um diese optischen Uhren zu validieren und in das internationale Zeitsystem zu integrieren, werden direkte Vergleiche zwischen optischen Uhren benötigt, da nur in-situ-Vergleiche mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden können. Obwohl Faserfrequenzverbindungen mit extrem geringer Unsicherheit gebaut wurden, gibt es nur eine begrenzte Anzahl solcher Verbindungen für den Vergleich von Uhren. Darüber hinaus wirkt sich die Unsicherheit durch das Geoid auf alle Fernvergleiche durch die gravitative Rotverschiebung aus, weshalb die Genauigkeit aller Fernvergleiche begrenzt ist.

Die Forscher des EU-geförderten Projekts CLOCKLIGHT (Light for clocks) hatten das Ziel, Komponenten für eine transportable Uhr zu bauen, um solche Vergleiche durchführen zu können. In den drei Jahren des Projekts befassten sie sich mit den strengen Anforderungen an Kompaktheit und Robustheit für alle Teile der Uhr, vor allem für die Lichtquellen.

Die meisten Ionen in optischen Uhren haben eine alkalimetallartige Atomstruktur. Das Team von CLOCKLIGHT untersuchte die Verwendung von Strontiumionen, insbesondere von 88Sr+.

Alle optischen Uhren erfordern zwangsläufig ein relativ kompliziertes Laser-Ensemble, um die Falle zu laden und die Messsequenz anzutreiben, in der das Ion zuerst gekühlt wird, der Taktübergang angeregt wird und schließlich der Zustand des Ions erfasst wird. 88Sr+ wird mittels Lasern gekühlt und erfasst, die den Übergang von 2S1/2 zu 2P1/2 bzw. den Quadrupol-Übergang von 2S1/2 zu 2D5/2 antreiben.

Zum Beladen der Falle wird eine zweistufige Photoionisation basierend auf einer Kombination von Breitband- und Schmalband-Laserquellen verwendet, um das Ion in einen autoionisierenden Zustand zu bringen. Für die Kühlung des Ions wurde ein Frequenzkamm-stabilisierter blauer Laser gebaut und um das Ion im Kühlkreislauf zu halten, wurde eine nicht polarisierte, inkohärente Re-Pumper-Lichtquelle vorgeschlagen, mit der die Entstehung von Dunkelzuständen selbst bei Nullmagnetfeldern verhindert werden soll.

Die vorgeschlagene Lichtquelle wurde in dem Labor zusammengesetzt und besteht aus einem Pumpdiodenlaser und andere Standard-Glasfaserkomponenten. Die Tatsache, dass sie keine Frequenzstabilisierung oder externe Polarisationsmodulation benötigt, sorgte für Einfachheit und Zuverlässigkeit im Betrieb. Das emittierte Licht ist unpolarisiert und seine räumliche Kohärenz ist ähnlich dem eines Lasers. Eine solche Quelle kann daher auf eine Punktgröße fokussiert werden, die für Ionenfallen erforderlich ist. Darüber hinaus eignet sich diese Lichtquelle aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften für eine transportable optische Ionen-Uhr.

Allerdings benötigt eine operative Atomuhr einen Abfragelaser zum Abtasten des Taktübergangs. Und da der Taktübergang sehr schmal ist, entwickelten die Forscher eine komplexe mehrstufige Stabilisierung von Laserdioden, die ausreichend spektrale Reinheit versprechen.

Die Leistung aller neuen Komponenten für eine transportable Atomuhr wird ausgewertet werden, wenn die Einzelionen-Uhr am Zentrum für Metrologie und Akkreditierung (MIKES) betriebsbereit ist.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

Sekunde, transportierbare Uhr, Atomuhren, CLOCKLIGHT, Strontiumionen, verstärkte spontane Emission
Datensatznummer: 182767 / Zuletzt geändert am: 2016-05-23
Bereich: Industrielle Technologien