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Atomuhren
Volker Diete-Wendl 15.06.2011
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Gliederung• Definition einer Sekunde• Motivation• Grundidee einer Atomuhr• Arten von Atomuhren
– Cäsium Uhren– Optische Atomuhren– Kompakte Atomuhren
• Ausblick• Zusammenfassung
Definition einer Sekunde 3
Definition einer SekundeBis 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 4
Definition einer Sekunde
Ab 1967 ist die Sekunde im SI Einheitensystemüber ein atomares Zeitnormal definiert
• Atomsekunde:
„Eine Sekunde ist das 9.192.631.770-fache derPeriodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung“
Motivation 5
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)
Grundidee einer Atomuhr 6
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 7
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 8
Physikalische Grenzen• Quantum projection noise
(statistische Unsicherheit beim Messen)• Relative Unsicherheit:
NTf
C
NMTf
C
f
f
000 22
Messdauer Absolute
Messungender Anzahl M
machen ngden Überga die Atomeder Anzahl N
Probeder mit rkungszeit WechselwiT
Konstante C
Übergangsdes Frequenz 0
f
Grundidee einer Atomuhr 9
Termschema von Cäsium
Verschiebung der Spektrallinien z.B. Stark-Effekt, quadratischer Zeeman-Effekt
Grundidee einer Atomuhr 10
Messwerte mittels Ramsey Spektroskopie
Grundidee einer Atomuhr 11
Bloch Kugel
1. Anregung vom Grundzustand mit π/2-Puls
2. Kohärente Überlagerung von Grund- und angeregtem Zustand
3. Oszillation des Blochvektors aufgrund der Anregung
4. Zweiter π/2-Puls wirkt in Abhängigkeit der Phasenlage des Blochvektors 2 nT
)12( nT
)21(2
1i
Grundidee einer Atomuhr 12
Messwerte einer Cäsium-Fontäne mittels Ramsey Spektroskopie
Die Ramsey Methode hängt nur noch von der Flugzeit, nicht mehr von der Wechselwirkungszeit ab
Atomstrahluhr 13
1. Cäsium Quelle
2. Zustandsselektion durch inhomogenes Magnetfeld
3. Hohlraumresonator zur Anregung
4. Zustandsselektor
5. Detektor
1
24
3
5
1410
Schematischer Aufbau einer Atomstrahluhr
Atomstrahluhr 14
Atomstrahluhr im Querschnitt
Atomstrahluhr 15
Primäre Atomuhr CS 2 am PTB
Cäsium-Fontäne 16
Schematischer Aufbau
einer Cäsium-Fontäne
1. Atomfalle(~107 Atome,~1μK)
2. 2 Führungslaser
3. Mikrowellenresonator
4. Anregungslaser zur Detektion mittels Fluoreszenz
5. Detektor
16105
Cäsium-Fontäne 17
Cäsium-Fontäne Atomuhr
NIST-F1: Abweichung von 1 Sekunde in 60 Millionen Jahren
Optische Uhren 18
Optische Uhren
Optische Uhren mit einzelnen Ionenz.B. Al+, Hg+
Optische Uhren mit vielen Atomen z.B. H2, Ca, Sr
17102.5
Optische Uhren 19
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
Lösung• Signalübertragung per
Glasfaser• Spectroscopy using Quantum
logic(P.O.Schmidt): Sympathetisches Kühlen von Ionen
• Frequenzkamm misst hohe Frequenzen
NTf
C
f
f
00 2
Optische Uhren 20
Frequenzkamm• Optische Übergänge sind im Bereich 1015 Hz• Problem: Elektronisch nur Frequenzen bis 1011 Hz messbar
Optische Uhren 21
Aufbau einer optischen Uhr
Wie misst man eine Uhr die genauer als andere Uhren geht?
Optische Uhren 22
Abschätzung der Genauigkeit
Wichtiger als systematische Störungen selber, ist wie genau man die Störungen bestimmen kann!
2.3·10-17 1.9·10-17
[10-18]
Optische Uhren 23
„Lattice“ Uhren1810
Kompakte Atomuhren 24
Kompakte AtomuhrenVorteile:• Kleiner• Leichter• Billiger
Nachteile:• Ganggenauigkeit:
2.5·10-10s in 1s
35.9 mmV
Ausblick 25
Ausblick• PARCS:
Primary Atomic Reference Clock in Space
• „Lattice“ Atomuhren
NTf
C
f
f
00 2
19103
Zusammenfassung 26
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
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Danke für die Aufmerksamkeit