Atomuhren Volker Diete-Wendl 15.06.2011. 2 Gliederung Definition einer Sekunde Motivation Grundidee...
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Atomuhren
Volker Diete-Wendl 15.06.2011
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2
Gliederung• Definition einer Sekunde• Motivation• Grundidee einer Atomuhr• Arten von Atomuhren
– Cäsium Uhren– Optische Atomuhren– Kompakte Atomuhren
• Ausblick• Zusammenfassung
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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
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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“
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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)
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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
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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
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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
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Grundidee einer Atomuhr 9
Termschema von Cäsium
Verschiebung der Spektrallinien z.B. Stark-Effekt, quadratischer Zeeman-Effekt
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Grundidee einer Atomuhr 10
Messwerte mittels Ramsey Spektroskopie
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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
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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
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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
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Atomstrahluhr 14
Atomstrahluhr im Querschnitt
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Atomstrahluhr 15
Primäre Atomuhr CS 2 am PTB
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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
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Cäsium-Fontäne 17
Cäsium-Fontäne Atomuhr
NIST-F1: Abweichung von 1 Sekunde in 60 Millionen Jahren
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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
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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
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Optische Uhren 20
Frequenzkamm• Optische Übergänge sind im Bereich 1015 Hz• Problem: Elektronisch nur Frequenzen bis 1011 Hz messbar
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Optische Uhren 21
Aufbau einer optischen Uhr
Wie misst man eine Uhr die genauer als andere Uhren geht?
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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]
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Optische Uhren 23
„Lattice“ Uhren1810
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Kompakte Atomuhren 24
Kompakte AtomuhrenVorteile:• Kleiner• Leichter• Billiger
Nachteile:• Ganggenauigkeit:
2.5·10-10s in 1s
35.9 mmV
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Ausblick 25
Ausblick• PARCS:
Primary Atomic Reference Clock in Space
• „Lattice“ Atomuhren
NTf
C
f
f
00 2
19103
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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