Tragbare optische Atomuhr feiert ihr kommerzielles Debüt – Physics World

Atome sind die präzisesten Zeitmesser der Welt – und zwar so sehr, dass die Sekunde als genau 9 Teilstriche einer auf Cäsium basierenden Atomuhr definiert ist. Kommerziell erhältliche Versionen dieser atomar präzisen Uhren basieren auf GPS, Navigation, Datenübertragung und Finanzmärkten und laufen mit Mikrowellenfrequenzen oder Milliarden von Tick-Tacks pro Sekunde. Nach einem Tag weicht ihre Zeitmessung um weniger als zehn Nanosekunden ab.

So gut das auch ist, die nächste Generation von Atomuhren ist noch präziser. Diese laborbasierten Konstruktionen laufen mit optischen Frequenzen, was bedeutet, dass sie zig Billionen Mal pro Sekunde ticken. Die besten von ihnen können auf 10 Femtosekunden genau bleiben (10^-15 s) nach einem Tag oder innerhalb einer Sekunde nach 50 Milliarden Jahren. Und bald können Sie zum ersten Mal eines davon kaufen: Vector Atomic, ein Start-up mit Sitz in Kalifornien, USA, hat das herausgegeben erste tragbare optische Uhr auf dem Markt.

„Heutzutage sind die einzigen Uhren, die man kaufen kann, Mikrowellenuhren“, sagt er Jonathan Hoffmann, ein Programmmanager bei der US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), die die Arbeit finanziert hat. „Wenn man zum optischen Übergang übergeht, gibt es einen enormen Gewinn an Präzision, Genauigkeit und Leistung, aber er bringt gleichzeitig typischerweise auch eine unglaubliche Komplexität mit sich. Der eigentliche Kampf besteht darin, einen glücklichen Kompromiss zu finden.“

Die richtigen Atome finden

Der Hauptunterschied zwischen optischen Uhren und ihren Mikrowellen-Vorgängern sind Laser. Um möglichst präzise Uhren zu bauen, verwenden Wissenschaftler die Atome, die die engsten Atomübergänge bieten – normalerweise Strontium oder Ytterbium – und entwerfen ihre Lasersysteme entsprechend den besonderen Anforderungen dieser Atome. Die Atome werden in Vakuumkammern gehalten und verschiedene Laser werden verwendet, um sie abzukühlen und einzufangen, während andere Laser unerwünschte Übergänge blockieren oder den gewünschten Übergang abfragen, der in der Uhr verwendet wird. Alle diese Laser, insgesamt bis zu ein Dutzend, müssen auf präzise Frequenzen stabilisiert werden, und ihre Wartung erfordert eine ständige Überwachung.

Der CEO und Mitbegründer von Vector Atomic wollte eine weniger präzise, ​​aber robustere und tragbarere Version einer optischen Uhr bauen Jamil Abo-Shaeer musste einen anderen Ansatz wählen. „Anstatt das System um das Atom herum zu entwerfen, haben wir das System um die Laser herum entworfen“, sagt er.

Die härtesten und bewährtesten Laser, die es gibt, werden laut Abo-Shaeer in der Telekommunikation und in der industriellen Bearbeitung eingesetzt. Dank jahrelanger (oder sogar jahrzehntelanger) kommerzieller Forschung und Entwicklung sind sie äußerst kompakt und stabil, und er und sein Team wählten eine Atomspezies, die zu ihnen passt: molekulares Jod. Dieses Molekül verfügt über praktische Übergänge in der Nähe eines frequenzverdoppelten Infrarotlasers, der üblicherweise in der Bearbeitung verwendet wird. Das Team entschied sich außerdem für einen einfachen Dampfzellenaufbau, der es vermeidet, die Atome auf eiskalte Temperaturen abzukühlen oder sie in einem Ultrahochvakuum einzuschließen.

Das Ergebnis war eine schlüsselfertige optische Uhr, die das Team Evergreen nennt, mit einem Volumen von nur 30 Litern – etwa der Größe eines Plattenspielers. Obwohl die Präzision der Zeitmessung von Evergreen weit vom laborbasierten Stand der Technik entfernt ist, ist sie 100-mal präziser als bestehende Mikrowellenuhren vergleichbarer Größe. Es entspricht auch der Leistung von Uhren, die auf Wasserstoffmasern basieren – Geräten in der Größe begehbarer Kühlschränke, die äußerst empfindlich auf Umgebungsgeräusche reagieren.

Seeversuche

Im Sommer 2022 verbrachte ein Prototyp von Evergreen drei Wochen lang an Bord eines Schiffes auf See, um ihn zu testen. Während dieser Zeit funktionierte die Uhr ohne Eingriff. Nach der Rückkehr testete das Team die Leistung der Uhr und stellte fest, dass sie sich trotz Turbulenzen und Temperaturschwankungen an Bord des Schiffes nicht wesentlich verschlechtert hatte. „Als es passierte, dachte ich, dass alle aufstehen und von den Dächern schreien sollten“, sagt Hoffman. „Ich meine, die Leute arbeiten seit Jahrzehnten an diesen optischen Uhren. Und dies war das erste Mal, dass eine optische Uhr in der realen Welt selbstständig und ohne menschliches Eingreifen lief.“

Laut Abo-Shaeer ebnen die Größe und Stabilität von Evergreen den Weg für eine weit verbreitete Einführung solcher Uhren in der Navigation, insbesondere wenn GPS-Signale blockiert oder gefälscht werden; in Rechenzentren und Telekommunikationsprotokollen; und zum Synchronisieren von Signalen von Ferndetektoren für wissenschaftliche Zwecke. Derzeit ist GPS auf etwa drei Meter genau, aber eine genauere Zeitmessung auf Satelliten könnte diese auf einige Zentimeter oder weniger reduzieren, sodass autonome Fahrzeuge auf ihrer Spur bleiben oder Lieferdrohnen auf einem Balkon landen können. Die Möglichkeit, die Zeit in kleinere Stücke zu zerlegen, sollte auch eine Kommunikation mit höherer Bandbreite ermöglichen, fügt Abo-Shaeer hinzu.

Tragbare optische Gitteruhr misst die Höhe

Ob diese spezielle Uhr die nächste Generation von GPS und eine schnellere Datenübertragung antreiben wird, bleibt abzuwarten. Dennoch sei der technologische Fortschritt bedeutend, sagt er Elizabeth Donley, Leiter der Zeit- und Frequenzabteilung des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado. „Es gibt möglicherweise viele andere Arten optischer Uhren, die im nächsten Jahrzehnt auf den Markt kommen könnten“, sagt Donley, der nicht an der Arbeit von Vector Atomic beteiligt war. „Das Herzstück dieser Sache ist eine Joddampfzelle, aber die Infrastruktur kann auch für andere Arten von Uhren genutzt werden.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/portable-optical-atomic-clock-makes-its-commercial-debut/