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Towards Neutral-atom Space Optical Clocks: Development of high-performance transportable and breadboard optical clocks and advanced subsystems

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Atomuhren für die Praxis auf der Erde und im All

EU-finanzierte Forscher haben erfolgreich eine transportable, modulare optische Atomuhr mit Frequenzinstabilität von 1x10-16 entwickelt. Diese Arbeit stellt einen wichtigen Schritt hin zu einem Prototyp einer optischen Weltraumuhr für eine ESA-Mission dar.

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Herzstück jeder Uhr ist ein Schwingungsphänomen, das in einem sehr regelmäßigen Intervall auftritt, egal, ob es ein schwingendes Pendel ist oder spannungsgetriebene Schwingungen eines Quarzkristalls sind. Mechanische und elektromechanische Uhren neigen jedoch trotz ihrer genialen Bauweise dazu, anfällig auf Temperaturschwankungen und Alterung zu sein. Überdies hat die zunehmende Notwendigkeit immer genauerer Zeitmessungen Oszillatoren mit höheren Frequenzen erforderlich gemacht. Atomuhren nutzen die Frequenz der Elektronenübergänge von einem Energiezustand eines Atoms zu einem anderen. Solche Frequenzen sind optisch, ultrahoch im Vergleich zu den herkömmlichen Mikrowellenfrequenzen. Sie stellen in der Normung der Zeit einen revolutionären Fortschritt dar, der durch Fortschritte auf dem Gebiet der Lasertechnik und Quantenoptik möglich wurde. Optische Atomuhren werden die etablierten Cäsium-basierten Atomuhren ersetzen, die auf einer Mikrowellenfrequenz ticken. Bei sogenannten Atomuhren mit optischem Gitter werden kalte Atome in eine Laserwelle in Form einer stehenden Welle (optisches Gitter) gezogen. Dabei werden Tausende von Atomen gleichzeitig beschränkt. Durch Abstimmen des Laserlichtgitters auf eine sorgfältig festgelegte Wellenlänge, können seine Wirkungen auf die Elektronenübergänge minimiert werden. Daher sind optische Atomuhren für eine beispiellose Genauigkeit und Stabilität geeignet. Mit der EU-Finanzierung des SOC2-Projekts (Towards neutral-atom space optical clocks: Development of high-performance transportable and breadboard optical clocks and advanced subsystems) entwickelte ein Team von Forschern kritische Komponenten und Subsysteme für ultrapräzise optische Gitteruhren mit neutralem Atom, die sich für den Transport und schließlich für den Einsatz im Weltraum eignen . Die Forscher arbeiten hier mit Ytterbium- (Yb) und Strontiumatomen (Sr). Die SOC2-Wissenschaftler haben die erforderlichen Laser-Subsysteme entwickelt und sie mit Atom-Untersystemen für Strontium und Ytterbium in komplette Uhrensysteme integriert. Ein Ergebnis ist die erste vollständig modulare optische Gitteratomuhr. Für die Uhr auf Sr-Basis erfanden sie zum Beispiel kompakte und robuste Frequenzstabilisierungs-Subsysteme auf Grundlage optischer Kavitäten, einen Dauermagnet-Atombremser und eine sehr kompakte Atomkammer. Darüber hinaus liefert ein kompakter, sparsamer Ofen die Atome in die Kammer. Das Gerät produziert routinemäßig ultrakalte Sr-Atome bei Mikro-Kelvin-Temperatur in einem optischen Gitter. Die Eigenschaften der Uhr, wie etwa die systematische Verschiebung der Übergangsfrequenz und der Instabilität, wurden für das bosonische Isotop 88Sr charakterisiert, wobei sehr gute Ergebnisse erzielt, einschließlich einer Frequenzinstabilität im 1x10-16 fraktionierten Bereich. Für die Yb-Uhr entwickelten die Wissenschaftler über eine externe Kavität verfügende Diodenlaser mit Schmalbandinterferenzfilter, die im Vergleich zu üblicherweise verwendeten gitterstabilisierten Lasern eine verbesserte Stabilität versprechen. Die Vorrichtung war voll funktionsfähig. Sie arbeitet für mehrere, ununterbrochene Betriebsstunden automatisch und stabil. Eine vorläufige messtechnische Charakterisierung fand an der Universität Düsseldorf statt. Sie wurde später mit einem Kleintransporter von Universität Düsseldorf zum italienischen Metrologieinstitut (INRIM) in Turin transportiert, wieder in Betrieb genommen und dann wieder zurück transportiert. Die optischen Atomuhren von SOC2 werden Versuchsdemonstratoren für die Uhren der Zukunft darstellen, die in weltraumgestützten Experimenten eingesetzt werden, um insbesondere einen grundlegenden Aspekts von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, der Zeitdilatation, zu überprüfen. Eine Weltraumuhr wäre auch nützlich für die Bereitstellung von ultrastabilen Frequenzen über der Erde und zur Ermöglichung der relativistischen Geodäsie, einem neuen Ansatz zur Messung des Gravitationspotentials der Erde.  Eine ESA-Mission, die diese Ziele verfolgt, ist in Vorbereitung und die SOC2 Wissenschaftler sind wichtige Teilnehmer.

Schlüsselbegriffe

Atomuhren, optische Uhren, Halbleiterlaser, kalte Atome, Quanten-Technologie, SOC2, Raum, fundamentale Physik, Geodäsie

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