Eine neue Sisyphus-Kühlungstechnik könnte die Präzision von Atomuhren erhöhen

29. August 2024

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Forscher der Gruppe für Neutralatomoptische Uhren am National Institute of Standards and Technology (NIST), an der Universität von Colorado und an der Pennsylvania State University haben kürzlich eine neue Sub-Recoil-Sisyphus-Kühlmethode entwickelt, die dazu beitragen könnte, die Präzision atomarer Uhren zu verbessern.

Diese Technik, die in einem in Physical Review Letters veröffentlichten Papier beschrieben wird, wurde zunächst verwendet, um eine hochleistungsfähige Ytterbium-Optikgitteruhr zu erstellen, könnte aber auch bei der Entwicklung anderer Uhren und quantenmetrischer Werkzeuge helfen.

"Präzisionsspektroskopie ist ein sehr breites Forschungsfeld mit einer langen Geschichte", sagte Chun-Chia Chen, Mitautor des Papiers, gegenüber Phys.org. "Atomphysiker führen Spektroskopiestudien an Objekten von Atomen und Ionen bis hin zu Molekülen und mehr durch. Vielleicht überraschend wird auch eine hochpräzise Spektroskopie an Antimaterie durchgeführt, was ein aktives Forschungsfeld ist und derzeit am CERN erforscht wird."

Bei dem Versuch, die Genauigkeit und Präzision atomarer Uhren zu verbessern, stießen Chen und seine Kollegen am NIST auf ein Papier, das ein neues Schema für die Sisyphus-Laserkühlung von Wasserstoff und Antiwasserstoff beschrieb. Inspiriert von diesem Schema begannen sie, einen ähnlichen Kühlansatz zu entwickeln, der die Leistung ihrer atomaren Uhren verbessern könnte.

Atomuhren sind Zeitmessgeräte, die eine Frequenz auf die oszillatorische Bewegung von Atomen beziehen. Der Betrieb dieser Uhren beruht auf hochpräzisen spektroskopischen Techniken, die atomare Zustände mit langen Lebenszeiten und eine extrem schmale Übergangslinienbreite zwischen diesen Zuständen adressieren, die typischerweise auf dem Sub-Hz-Niveau liegt.

"Traditionell verwenden wir dieses extrem schmale Spektrum für die Frequenzstabilisierung, was als Kernidee für aktuelle High-Tech-Frequenzstandards und optische Atomuhren dient", erklärte Chen. "Bevor wir jedoch eine hochpräzise Spektroskopie durchführen, nutzen wir die extrem schmale Anregung zusammen mit einem weiteren quantentechnischen Werkzeug für die Implementierung der Sisyphus-Kühlung."

Im Wesentlichen haben Chen und seine Kollegen den Energiesprung ihres angeregten Uhrenzustands strategisch nach einem periodisch modulierten Muster konstruiert. Diese Methode ermöglichte es ihnen, genau zu steuern, wo eine Uhrenlinienanregung innerhalb ihres Sisyphus-Kühlprozesses stattfindet.

"Genauer gesagt konfigurieren wir die Anregungsbedingung so, dass sie vorzugsweise an der Position erfolgt, die dem Boden der periodischen Potenziallandschaft entspricht", sagte Chen. "Einmal angeregt, verlieren Atome ihre kinetische Energie, indem sie das Potenzial hinaufklettern und vorzugsweise die Potenziallandschaft abseits des Minimums verlassen. Die Kühlung erfolgt nach wiederholtem Erklimmen des Energiepotenzials."

In ihrer jüngsten Studie demonstrierten die Forscher ihr Sisyphus-Kühlschema, indem sie die extrem schmale Übergangsleitung einer Ytterbium-basierten optischen Gitteruhr nutzten. Der gleiche Ansatz sollte jedoch theoretisch auch auf andere Systeme mit schmalen Linienbreitenübergängen anwendbar sein.

"In den letzten beiden Jahrzehnten wurde das Ziel der Realisierung einer hochpräzisen Uhrenspektroskopie neutraler Atome am besten erreicht, indem für Atome im Grundzustand und im angeregten Uhrenzustand identische Fallbedingungen geschaffen wurden", erklärte Chen.

"Dies wird erreicht, indem man eine Falle, die von Lasern in eine stehende Welle gebildet wird und bei dem betreiben, was wir als magische Wellenlänge bezeichnen. In dieser Situation ist ein Unterschied im Fallenpotential, das von den Atomen in den beiden Atomzuständen empfunden wird, im Grunde genommen ein Feind für die Realisierung einer hochpräzisen Uhrenspektroskopie."

Die meisten jüngsten Bemühungen zur Förderung der Uhrenspektroskopie erkunden daher Strategien zur Minimierung des Fallpotenzialunterschieds zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Uhrenzustand. Um diese Herausforderung anzugehen, konzentrierten sich Chen und seine Kollegen darauf, die Kühlung der Proben zu verbessern, bevor sie die hochpräzise Uhrenspektroskopie durchführten.

"Um die verbesserte Kühlung bei der Probenpräparation vor der Durchführung der Uhrenspektroskopie zu realisieren, haben wir vorübergehend einen gezielten räumlich abhängigen Energiesprung des angeregten Zustands eingeführt, der mehr, nicht weniger, Fallenpotenzialunterschied für die beiden Uhrenzustände einführte", sagte Chen.

'Dadurch konnten wir den Sisyphus-Kühlermechanismus realisieren, der wiederum später den Probenzustand für eine bessere Takt-Spektroskopie mit weniger Fallenpotentialdifferenz verbesserte. Darüber hinaus halfen uns die kühleren Temperaturen, flachere Fallen für die Atome zu verwenden, was auch diese Differenz reduzierte.'

Die neue Sisyphus-Kühltechnik, die von diesem Forscherteam entwickelt wurde, könnte bald dazu beitragen, die Präzision anderer optischer Uhrensysteme zu verbessern. Darüber hinaus könnte sie zur Kühlung von Proben für andere aufkommende Technologien verwendet werden, einschließlich der Quanteninformationsverarbeitung und -computersysteme. In ihren nächsten Studien planen diese Forscher, ihre Sisyphus-Kühltechnik weiterhin einzusetzen, um die Genauigkeit der optischen Gitteruhren zu verbessern, die am NIST entwickelt wurden.

'Die zusätzliche Kühlung ermöglicht es uns, atomare Ensembles mit gleichmäßigeren Bedingungen im Inneren der magischen Wellenlängen-Stehwellenlaserfalle zu erzeugen', fügte der Forscher Andrew Ludlow hinzu. 'Das wiederum ermöglicht es uns, die kleinen Effekte des Fanglasers auf die Taktfrequenz genauer und präziser zu charakterisieren.'

'Darüber hinaus ermöglichen uns die niedrigeren Temperaturen, die Atome auch in noch schwächeren Laserfallen zu halten, in denen unerwünschte Fangeffekte noch geringer sind. Nach einigen sorgfältigen Messungen, an denen wir derzeit arbeiten, wird sich dies alles in einer verbesserten Uhrengenauigkeit niederschlagen.'

Weitere Informationen: Chun-Chia Chen et al, Clock-Line-Mediated Sisyphus Cooling, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.053401. Bei arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.13782

Journal-Informationen: Physical Review Letters, arXiv

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