Optische Atomuhren gehören zu den genauesten Messinstrumenten der heutigen Zeit. Sie werden nicht nur zur präzisen Zeitbestimmung eingesetzt, sondern auch in der Satellitennavigation und in der Grundlagenphysik verwendet. Forschende der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Leibniz Universität Hannover (LUH) haben jetzt ein theoretisch beschriebenes Verfahren, zur Beschleunigung von Messungen mit Atomuhren erstmals experimentell realisiert. Ihre Ergebnisse, die im Rahmen des Exzellenzclusters QuantumFrontiers und des Sonderforschungsbereichs DQ-mat entstanden sind, wurden nun im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht.
Die aktuell genauesten Atomuhren nutzen verschiedene geladene Atome (Ionen) als Taktgeber. Diese werden in Ionenfallen mithilfe elektrischer Felder gefangen, mit Laserlicht gekühlt und anschließend wird ihr Referenzübergang mit einem hochstabilen Laser verglichen. Je mehr Ionen gefangen werden können und je länger diese abgefragt werden, desto schneller erreicht sie eine bestimmte Auflösung. Bisher nutzen die meisten Ionen-Uhren jedoch nur ein Ion, da inhomogene Felder die Kontrolle mehrerer Ionen erschweren.
Einem Team um Lennart Pelzer von der PTB ist es nun gelungen, eine größere Kette von Calcium-Ionen unempfindlicher gegenüber den Effekten elektrischer und magnetischer Felder zu machen. Sie nutzen dazu einen quantenmechanischen Trick namens „kontinuierliche dynamische Entkopplung“ (continuous dynamical decoupling). Dabei koppeln sie mehrere atomare Niveaus im Calcium-Ion durch das Einstrahlen von speziellen Radiofrequenz Feldern. Auf diese Weise konnten sie mehrere Ionen wesentlich länger abfragen und dadurch deutlich schneller eine niedrige Messunsicherheit erreichen. Durch diese Methode konnten die Forschenden die bisher aufgrund ihrer Empfindlichkeit auf elektrische und magnetische Felder weniger geeignete Atomspezies Calcium in eine gute Frequenzreferenz verwandeln. Calcium ist als Uhrenkandidat attraktiv, da es sich mit vergleichsweise einfachen Lasersystemen kontrollieren lässt und Skalierungstechniken für die Kontrolle von vielen Ionen für das Quantencomputing entwickelt werden. In einer kombinierten Aluminium-Calcium-Uhr könnte die Technik nun eingesetzt werden, um das Gesamtsystem zu verbessern. Ähnliche Tricks könnten auch für andere Uhrensysteme von Interesse sein.
Originalpublikation
Multi-ion frequency reference using dynamical decoupling
Lennart Pelzer, Kai Dietze, Víctor José Martínez-Lahuerta, Ludwig Krinner, Johannes Kramer, Fabian Dawel, Nicolas C. H. Spethmann, Klemens Hammerer, and Piet O. Schmidt
Phys. Rev. Lett. 133, 033203
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.033203
