Den Takt der Zeit auf der Welt geben seit vielen Jahren verlässlich die Cäsium-Atomuhren an. Die Zukunft aber gehört den noch genaueren optischen Atomuhren. Mit ihnen könnte in einigen Jahren die Definition der Basiseinheit Sekunde im Internationalen Einheitensystem SI geändert werden. Welche der verschiedenen optischen Uhren dafür als Grundlage dienen wird, ist noch völlig offen. Zu der Vielzahl optischer Uhren, die die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig als führendes Institut auf diesem Gebiet realisiert hat, könnte sich ein weiterer Typ gesellen: eine optische Multi-Ionen-Uhr mit Ytterbium-173-Ionen. Sie könnte die hohe Genauigkeit einzelner Ionen mit der verbesserten Stabilität mehrerer Ionen kombinieren. Dies ist das Ergebnis einer Kooperation der PTB mit dem thailändischen Metrologie-Institut NIMT. Die Ergebnisse sind auch interessant für die Quantencomputer- und die Grundlagenforschung mit einem neuen Blick ins Innere des Atoms.

Optische Atomuhren mit einzelnen Ionen (etwa mit Ytterbium-171) sind besonders genau, während Uhren mit mehreren Teilchen (beispielsweise Strontium-Atomen) durch große Stabilität bestechen. Tanja Mehlstäubler, Professorin für Quantenoptik und Metrologie und bekannt unter anderem für ihre Arbeiten zu topologischen Defekten in Ionen-Coulomb-Kristallen, forscht an einer Kombination der beiden Eigenschaften und hat bereits eine Multi-Ionen-Uhr mit Indium realisiert. Jetzt hat sie für die Multi-Ionen-Idee ebenfalls Ytterbium im Blick, allerdings ein neues Isotop: Ytterbium-173. „Dieses Isotop hat einen besonders interessanten Übergang“, erklärt die Physikerin.

Übergang nennt man den Quantensprung, den man in jeder Atomuhr erreichen will: der Wechsel des Quantenzustandes, der nur mit einer ganz bestimmten Frequenz von Mikrowellen- oder Laserstrahlung gelingt. Mikrowellenstrahlung nutzt man für die aktuellen Cäsium-Atomuhren. Die optischen Uhren arbeiten mit Laserstrahlung. Weil diese Schwingungen etwa hunderttausend Mal schneller sind, ist die Zeit feiner unterteilbar und genauer messbar.

Der Quantensprung in dem neuen Ytterbium-Isotop führt zu einem angeregten Zustand mit sehr langer Lebensdauer. „Das ermöglicht uns stabilere Messungen“, erklärt Jialiang Yu vom NIMT. „Aber solche Übergänge erfordern normalerweise starkes Laserlicht, was wiederum große Nachteile haben kann.“ Dieses Ytterbium-Isotop hat jedoch einen ganz speziell geformten Atomkern und besondere Eigenschaften, die es dem Team möglich machten, die Probleme zu überwinden und sogar mehrere Ionen gleichzeitig anzusteuern.

So ist jetzt der Weg frei für eine optische Ytterbiumuhr mit mehreren Ionen, die die hohe Genauigkeit von Einzelionenuhren mit der verbesserten Stabilität des Mehrionenbetriebs kombiniert. Die neue atomare Spezies eignet sich ebenfalls sehr gut als Multi-Qubit für die Quanteninformation, da sich die Quantenzustände extrem genau per Laserstrahlung manipulieren lassen und mehr Quanteninformation gleichzeitig enkodiert werden kann. So bietet sich hier eine neue Möglichkeit für die Quantencomputerforschung.

Die erstmalige Messung der Lebensdauer des Uhrenzustands liefert wertvolle Informationen über die Struktur des Atomkerns und ermöglicht empfindliche Tests der Kernphysik, etwa auf mögliche Effekte jenseits des Standardmodells der Physik.

Die Arbeit wurde unter anderem unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DQ-mat), durch die Deutsche Exzellenzinitiative (QuantumFrontiers-390837967) im Rahmen des EU-weiten Metrologie-Forschungsprogramms (EMPIR-Projekt 22IEM01 TOCK) und durch das Max-Planck-RIKEN-PTB-Center for Time, Constants and Fundamental Symmetries.

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