Observatoire
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Das neue Frequenznormal am METAS
Gregor Dudle
Zeit- und Frequenzlabor, EAZ
METAS_fountain/Sept-2002/Dd
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
Atomfrequenznormale



Laserkühlung




Prinzip
Ramsey Kavität
Prinzip der Dopplerkühlung
Limite
Temperaturmessung
METAS-ON Springbrunnen


Design
Stabilitätsmessungen
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Atomfrequenznormale
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Atomfrequenznormale
Prinzip einer Uhr ?
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Atomfrequenznormale
Prinzip einer Uhr ?
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Atomfrequenznormale
Prinzip einer Uhr ?
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Atomfrequenznormale
Definition der SI-Sekunde
1 Sekunde
ist das 9 192 631 770fache
der Periodendauer der dem Übergang zwischen den
beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes
von Atomen des Nuklids Cs133 entsprechenden
Strahlung (XIII CGPM 1967)
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Atomfrequenznormale
Energieniveaus eines Cäsiumatoms
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Atomfrequenznormale
Abtasten der Atome
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Atomfrequenznormale
Abtasten der Atome
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Atomfrequenznormale
Abtasten der Atome
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Atomfrequenznormale
Abtasten der Atome
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Atomfrequenznormale
Abtasten der Atome
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Abtasten der Atome
Atomfrequenznormale
Referenz
Oszillator
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Atomfrequenznormale
Ramsey Kavität
Mikrowelle
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Atomfrequenznormale
Ramsey Kavität
TL muss so gross wie möglich sein
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Grosse Interaktionszeit

Sehr lange Kavität
Mechanisch schwierig
Weg der Atome schlecht kontrolliert
Atomfrequenznormale

Langsame Atome
Mechanisch kompakter, einfacher
Ausbeute bei thermischen Atomen
sehr klein
(1950 J.R. Zacharias, MIT ohne Erfolg)
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Laserkühlung
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Grosse Interaktionszeit

Sehr lange Kavität
Mechanisch schwierig
Weg der Atome schlecht kontrolliert
Atomfrequenznormale

Langsame Atome
Mechanisch kompakter, einfacher
Ausbeute bei thermischen Atomen
sehr klein
(1950 J.R. Zacharias, MIT ohne Erfolg)
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Laserkühlung
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Laserkühlung
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Laserkühlung
Entwicklung der Laserkühlung
1975 Theoretisches Model "Doppler Cooling" (Hänsch)
Limite für Cs-Atome 127 mK
1985 Experiment (USA)
1988 Temperaturen unter 127 mK beobachtet (NIST, USA)
1989 Theoretische Model für sub-Doppler (ENS, Paris; Stanford)
1990 Erste Anwendung in Zeitmetrologie (ENS-LPTF, Paris)
1993 Erste kalte Atome in der Schweiz (Observatoire Cantonal NE)
1997 Nobelpreis für Lasercooling (Cohen, Chu, Phillips)
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Laserkühlung
Prinzip
Absorption eines Photons und
Übergang in angeregten Zustand
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Rückkehr in Grundzustand
unter isotroper Abstrahlung
des Photons
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Laserkühlung
Prinzip
Absorption eines Photons und
Übergang in angeregten Zustand
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Rückkehr in Grundzustand
unter isotroper Abstrahlung
des Photons
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Laserkühlung
Prinzip
Absorption eines Photons und
Übergang in angeregten Zustand
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Rückkehr in Grundzustand
unter isotroper Abstrahlung
des Photons
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Mathematische Beschreibung
Kraft  Impuls / Photon

Laserkühlung
F
x #
Zeiteinhei
Photonen
/ 
t

k
x

k
x
dN
dt

Intensität Laser

   kv 
1  2  4




2
Geschwindigkeit
Atom
Frequenzoffset
Atom-Laser
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Kraft vs. Geschwindigkeit - 1 Laserstrahl
50
Kraft / 10
Laserkühlung
-21
N
40
30
20
10
0
-20
-10
0
Geschwindigkeit / m s
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10
-1
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Kraft vs. Geschwindigkeit - 2 Laserstrahlen

v
F(v) = - a v
20
Kraft / 10
Laserkühlung
-21
N
40
0
-20
-40
-20
-10
0
Geschwindigkeit / m s
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10
-1
Molasses
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Kühlen oder bremsen ?
Maxwell Verteilung
 m 

F (v)dv  4n
 2k BT 
3/ 2
250
0.1 K
F(v) dv
Laserkühlung
200
150
1K
100
50
10 K
100 K
300 K
0
0
20
40
60
80
velocity / m s
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100
-1
120
140
 m v2 
 dv
v exp 
 2 k BT 
2
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Laserkühlung
Wie kalt können die Atome werden ?
Bei jeder Abstrahlung eines Photons erfährt das Atom
einen Rückstoss  Random-Walk
2

1  4 


k BT 
4

2  

Minimum pour  = -/2

T 
 127mK
2k B
D
Limite „Doppler“
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Laserkühlung
Wie misst man die Temperatur ?
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Laserkühlung
Wie misst man die Temperatur ?
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Laserkühlung
Wie misst man die Temperatur ?
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Laserkühlung
Wie misst man die Temperatur ?
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Laserkühlung
Wie misst man die Temperatur ?
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Laserkühlung
Fluorescence [a. u.]
Wie misst man die Temperatur ?
24 ms
55 mK
0.60
0.65
0.70
0.75
Time of flight [s]
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0.80
0.85
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vL
L
TL
f
100 m/s
1m
10 ms
50 Hz
Lasergekühlter Strahl 0-3 m/s
.5 m
500 ms
1 Hz
Laserkühlung
Thermischer Strahl
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METAS - ON Springbrunnen
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Anvisiertes Ziel
 Kontinuierlicher Strahl lasergekühlter Cäsiumatome
Kollisionseffekte sehr kleins
 Kurzzeitstabilität:
7·10-14 t-1/2
 Accuracy:
10-15
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Springbrunnen: Prinzip
Springbrunnen
Abtasten
Laserkühlung/
Abwurf
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Detektion
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Springbrunnen: Prinzip
Springbrunnen
Abtasten
Laserkühlung/
Abwurf
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Detektion
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Springbrunnen: Prinzip
Springbrunnen
Abtasten
Laserkühlung/
Abwurf
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Detektion
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Springbrunnen: Realisierung
Magnetische
Abschirmung
Springbrunnen
1m
Flugbahn
Quelle
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MikrowellenKavität
Detektion
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Springbrunnen: Details
Mikrowellen-Kavität
56 mm
Transmitted signal /a.u.
2.5
TM 021
TE 021
2.0
1.5
800 kHz
1.0
0.5
0.0
9050
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9100
9150
Frequency /MHz
9200
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Optischer Aufbau
 4 Diodenlaser, 1 MOPA
 l = 852 nm
 Linienbreite < 100 kHz
 ca. 400 mW
 Polarisationserhaltende Glasfasern
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Quelle
 4 45° Strahlen
1 retroreflektierter Strahl
 Abwurfgeschw. 3.8 m/s
 ca 200‘000 at/s detektiert
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Springbrunnen
Blick ins Labor
1997
1998
2000
2001
2002
Design und Aufbau
Kalte Atome
Erste Ramsey-Fringes
Erste Stabilitätsmessung
Transfer nach Wabern
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Transition probability / a. u.
Springbrunnen
Ramsey fringes
mF = 0
0.3
0.2
0.1
0.3
-15
-10
0
5
10
0.2
0.1
0.0
-1000
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-5
0
fRF - fCs / Hz
1000
15
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Ramsey fringes
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Stabilitätsmessung
-11
-13 1/2
10
Cont. fountain (2.5 10 t
Reference Maser
-12
10
sy(t)
-13
10
-14
10
-15
10
0
10
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1
10
2
10
t /s
3
10
4
10
)
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Wo stehen wir
 Design und Aufbau
 Kontinuierlicher Strahl kalter Atome
 Ramsey-Fringes
 Stabilitätsmessungen
 Genauigkeits-Evaluation
 Vergleich mit andern Frequenz Primär
Standards
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Wo stehen die anderen
 LPTF (F): mehrere Exemplare funktionieren
 PTB (D): evaluiert
 NIST:
evaluiert
"Kurz vor Abschluss"
IEN, NPL, NRC, ... ... ...
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Hauptdarsteller
Pierre Thomann
J.-F. Léchenne, Konstrukteur
René Maurer, Mechaniker
Alain Joyet, Doktorand
Natascia Castagna, Doktorandin
Gaetano Mileti, Physiker
Cipriana Mandache, Post-Doc (Rumänien)
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Zusammenfassung





Prinzip eines passiven Atomfrequenznormals
Vorteil von langen Interaktionszeiten
Prinzip der Laserkühlung
Design des kontinuierlichen METAS-ON
Springbrunnens
Ramsey-Fringes und Stabilitätsresultate
METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Was ist eine Uhr ?