Atomuhren
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Atomuhren Volker Diete-Wendl 15.06.2011 Gliederung • • • • • • Definition einer Sekunde Motivation Grundidee einer Atomuhr Arten von Atomuhren – Cäsium Uhren – Optische Atomuhren – Kompakte Atomuhren Ausblick Zusammenfassung 2 Definition einer Sekunde Bis 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 3 Definition einer Sekunde Ab 1967 ist die Sekunde im SI Einheitensystem über ein atomares Zeitnormal definiert • Atomsekunde: „Eine Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung“ Definition einer Sekunde 4 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) Motivation 5 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 6 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 7 Physikalische Grenzen • Quantum projection noise (statistische Unsicherheit beim Messen) • Relative Unsicherheit: f C C f 0 2f 0T NM 2f 0 NT f 0 Frequenz des Übergangs C Konstante T Wechselwi rkungszeit mit der Probe N Anzahl der Atome die den Überga ng machen M Anzahl der Messungen Absolute Messdauer Grundidee einer Atomuhr 8 Termschema von Cäsium Verschiebung der Spektrallinien z.B. Stark-Effekt, quadratischer ZeemanEffekt Grundidee einer Atomuhr 9 Messwerte mittels Ramsey Spektroskopie Grundidee einer Atomuhr 10 Bloch Kugel 1. 2. 3. 4. Anregung vom Grundzustand mit π/2-Puls Kohärente Überlagerung von Grund- und angeregtem Zustand Oszillation des Blochvektors aufgrund der Anregung Zweiter π/2-Puls wirkt in Abhängigkeit der Phasenlage des Blochvektors T n 2 Grundidee einer Atomuhr 1 (1 i 2 ) 2 T (2n 1) 11 Messwerte einer Cäsium-Fontäne mittels Ramsey Spektroskopie Die Ramsey Methode hängt nur noch von der Flugzeit, nicht mehr von der Wechselwirkungszeit ab Grundidee einer Atomuhr 12 Schematischer Aufbau einer Atomstrahluhr 2 1. 2. 3. 4. 5. Cäsium Quelle Zustandsselektion durch inhomogenes Magnetfeld Hohlraumresonator zur Anregung Zustandsselektor Detektor 10 3 4 5 1 14 Atomstrahluhr 13 Atomstrahluhr im Querschnitt Atomstrahluhr 14 Primäre Atomuhr CS 2 am PTB Atomstrahluhr 15 Schematischer Aufbau einer Cäsium-Fontäne 1. 2. 3. 4. 5. Atomfalle(~107 Atome,~1μK) 2 Führungslaser Mikrowellenresonator Anregungslaser zur Detektion mittels Fluoreszenz Detektor 5 10 16 Cäsium-Fontäne 16 Cäsium-Fontäne Atomuhr NIST-F1: Abweichung von 1 Sekunde in 60 Millionen Jahren Cäsium-Fontäne 17 Optische Uhren Optische Uhren mit einzelnen Ionen z.B. Al+, Hg+ Optische Uhren mit vielen Atomen z.B. H2, Ca, Sr 5.2 10 Optische Uhren 17 18 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 f C f 0 2f 0 NT Lösung • Signalübertragung per Glasfaser • Spectroscopy using Quantum logic(P.O.Schmidt): Sympathetisches Kühlen von Ionen • Frequenzkamm misst hohe Frequenzen Optische Uhren 19 Frequenzkamm • Optische Übergänge sind im Bereich 1015 Hz • Problem: Elektronisch nur Frequenzen bis 1011 Hz messbar Optische Uhren 20 Aufbau einer optischen Uhr Wie misst man eine Uhr die genauer als andere Uhren geht? Optische Uhren 21 Abschätzung der Genauigkeit [10-18] 2.3·10-17 1.9·10-17 Wichtiger als systematische Störungen selber, ist wie genau man die Störungen bestimmen kann! Optische Uhren 22 „Lattice“ Uhren Optische Uhren 10 18 23 Kompakte Atomuhren Vorteile: • Kleiner V 9.5mm3 • Leichter • Billiger Nachteile: • Ganggenauigkeit: 2.5·10-10s in 1s Kompakte Atomuhren 24 Ausblick • PARCS: Primary Atomic Reference Clock in Space • „Lattice“ Atomuhren f C f 0 2f 0 NT 3 10 19 Ausblick 25 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 Zusammenfassung 26 Danke für die Aufmerksamkeit 27
