Prüfstand für Atome
Mit Cäsium-Atomuhren kann die Sekunde bis auf die 16te Stelle hinter dem Komma
realisiert werden, sie werden längst in vielfältigen Aufgabengebieten wie z.B. bei GPS-Systemen und zur Synchronisierung von Mobilfunknetzen eingesetzt. Doch in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) wird an einer neuen Generation von Atomuhren geforscht: Diese sogenannten optischen Uhren sind schon jetzt bis zu 100-mal genauer als herkömmliche Atomuhren. Herzstück einer solchen optischen Atomuhr ist eine Ionenfalle, die einzelne oder mehrere Ionen, also elektrisch geladene Teilchen, möglichst lange festhält und speichert.
Paul-Falle der 171Yb+-Einzelionen-Uhr, bestehend aus einer Ring- und zwei Einzelelektroden
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Mit Multiionenfallen können mehrere Ionen gespeichert und gleichzeitig spektroskopiert werden.
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Optische Atomuhren sind seit vielen Jahren ein wichtiger Forschungszweig der PTB: Hier steht die weltweit genauste optische Einzelionen-Uhr. Ihr Taktgeber ist ein einzelnes gefangenes Ytterbium-Ion. Das Ion besitzt bestimmte atomare Übergänge, deren Frequenzen mit sehr hoher Präzision untersucht werden. Der Vergleich mit anderen Atomuhren ermöglicht die Überprüfung fundamentaler Fragestellungen der Physik, wie beispielsweise: Sind Naturkonstanten tatsächlich unveränderlich? Ein weiterer Schwerpunkt ist die Verbesserung der Zuverlässigkeit der optischen Atomuhr, damit diese in Zukunft die derzeitigen kommerziell verfügbaren Frequenzreferenzen als genaueres und stabileres System ablösen kann.
Die zuverlässige Speicherung von Ionen stellt hohe Anforderungen an die verwendeten Ionenfallen. Der Bedarf an flexibleren, kompakteren und präziseren Systemen führt fortlaufend zu neuen Entwicklungen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf Multiionenfallen, in denen mehrere Ionen gespeichert und gleichzeitig spektroskopiert werden können.
Die PTB arbeitet im Rahmen des QUEST-Instituts an der Entwicklung von zwei innovativen Designs für Multiionenfallen: Einer mit Laserschneidemethoden gefertigten linearen Paul-Falle und einer Oberflächenfalle, die sich mit den Verfahren von Mikro-Elektronik und -Mechanik herstellen lässt. Aufbauend auf das große Fachwissen im Bereich der Atomuhren ist die PTB sehr gut aufgestellt, um auch in Zukunft federführend an der Entwicklung optischer Atomuhren für die Anwendung als hochpräzise und ultrastabile Frequenznormale und für die Untersuchung fundamentaler physikalischer Fragestellung mitzuwirken.
Die PTB präsentiert Ionenfallen für optische Atomuhren auf der LASER World of PHOTONICS 2017 vom 26. bis 29. Juni in München.
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