metas_fountain/sept-2002/dd observatoire neuchâtel das neue frequenznormal am metas gregor dudle...

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Das neue Frequenznormal am METAS

Gregor Dudle

Zeit- und Frequenzlabor, EAZ

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Menu

AtomfrequenznormalePrinzipRamsey Kavität

LaserkühlungPrinzip der DopplerkühlungLimiteTemperaturmessung

METAS-ON SpringbrunnenDesignStabilitätsmessungen

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Atomfrequenznormale

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Prinzip einer Uhr ?

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Prinzip einer Uhr ?

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Prinzip einer Uhr ?

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

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)

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Energieniveaus eines Cäsiumatoms

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Abtasten der Atome

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Abtasten der Atome

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Abtasten der Atome

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Abtasten der Atome

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Abtasten der Atome

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Abtasten der Atome

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

Oszillator

Referenz

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Ramsey Kavität

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

Mikrowelle

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

TL muss so gross wie möglich sein

Ramsey Kavität

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Grosse Interaktionszeit

Sehr lange Kavität Mechanisch schwierig Weg der Atome schlecht kontrolliert

Langsame AtomeMechanisch kompakter, einfacher Ausbeute bei thermischen Atomen sehr

klein(1950 J.R. Zacharias, MIT ohne Erfolg)

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

Laserkühlung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Grosse Interaktionszeit

Sehr lange Kavität Mechanisch schwierig Weg der Atome schlecht kontrolliert

Langsame AtomeMechanisch kompakter, einfacher Ausbeute bei thermischen Atomen sehr

klein(1950 J.R. Zacharias, MIT ohne Erfolg)

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

Laserkühlung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Laserkühlung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Entwicklung der Laserkühlung

1975 Theoretisches Model "Doppler Cooling" (Hänsch)Limite für Cs-Atome 127 K

1985 Experiment (USA)

1988 Temperaturen unter 127 K 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)

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Prinzip

Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand

Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung

des Photons

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Prinzip

Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand

Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung

des Photons

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Prinzip

Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand

Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung

des Photons

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Mathematische Beschreibung

2

421

kvk

dt

dNkF

x

x

tZeiteinhei / Photonen #xPhoton / ImpulsKraft

Lase

rküh

lung

Intensität Laser

GeschwindigkeitAtom

FrequenzoffsetAtom-Laser

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Kraft vs. Geschwindigkeit - 1 Laserstrahl

50

40

30

20

10

0

Kra

ft /

1

0-2

1 N

-20 -10 0 10

Geschwindigkeit / m s-1

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Kraft vs. Geschwindigkeit - 2 Laserstrahlen

v

Lase

rküh

lung

MolassesMolasses

F(v) = - v

-40

-20

0

20

40

Kra

ft /

1

0-2

1 N

-20 -10 0 10

Geschwindigkeit / m s-1

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Kühlen oder bremsen ?

dvTk

mvv

Tk

mndvvF

BB

2

exp2

4)(2

2

2/3

Maxwell Verteilung

250

200

150

100

50

0

F(v

) dv

140120100806040200

velocity / m s-1

1 K

10 K 100 K 300 K

0.1 K

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Wie kalt können die Atome werden ?

2

41

4

2

TkB

Kk

TB

D 1272

Limite „Doppler“

Minimum pour = -/2

Bei jeder Abstrahlung eines Photons erfährt das Atom einen Rückstoss Random-Walk

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Wie misst man die Temperatur ?

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Wie misst man die Temperatur ?

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Wie misst man die Temperatur ?

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Wie misst man die Temperatur ?

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Wie misst man die Temperatur ?

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Wie misst man die Temperatur ?

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

vL L TL f Thermischer Strahl 100 m/s 1 m 10 ms 50 Hz

Lasergekühlter Strahl 0-3 m/s .5 m 500 ms 1 Hz

Lase

rküh

lung

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

METAS - ON Springbrunnen

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Anvisiertes Ziel

Kontinuierlicher Strahl lasergekühlter Cäsiumatome Kollisionseffekte sehr kleins

Kurzzeitstabilität: 7·10-14 -1/2

Accuracy: 10-15

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Springbrunnen: Prinzip

Laserkühlung/Abwurf

Abtasten

Detektion

Spr

ingb

runn

en

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Springbrunnen: Prinzip

Laserkühlung/Abwurf

Abtasten

Detektion

Spr

ingb

runn

en

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Springbrunnen: Prinzip

Laserkühlung/Abwurf

Abtasten

Detektion

Spr

ingb

runn

en

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Springbrunnen: Realisierung

Quelle

MagnetischeAbschirmung

Flugbahn

Mikrowellen-Kavität

Detektion

Spr

ingb

runn

en

1 m

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Springbrunnen: Details

Mikrowellen-Kavität56 mm56 mm

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

Tra

nsm

itted

sig

nal /

a.u.

9200915091009050

Frequency /MHz

TE 021TM 021

800 kHz

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Optischer Aufbau

4 Diodenlaser, 1 MOPA = 852 nm Linienbreite < 100 kHz ca. 400 mW Polarisations-

erhaltende Glasfasern

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Quelle

4 45° Strahlen1 retroreflektierter Strahl

Abwurfgeschw. 3.8 m/s ca 200‘000 at/s detektiert

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Blick ins Labor

1997 Design und Aufbau

1998 Kalte Atome

2000 Erste Ramsey-Fringes

2001 Erste Stabilitätsmessung

2002 Transfer nach Wabern

Spr

ingb

runn

en

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Ramsey fringes

0.3

0.2

0.1

0.0

Tra

nsi

tion

pro

ba

bili

ty /

a.

u.

-1000 0 1000fRF - fCs / Hz

0.3

0.2

0.1

-15 -10 -5 0 5 10 15

mF = 0

Spr

ingb

runn

en

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Ramsey fringes

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Stabilitätsmessung

10-15

10-14

10-13

10-12

10-11

y(

100

101

102

103

104

s

Cont. fountain (2.5 10-13

Reference Maser

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Wo stehen wir

Design und Aufbau Kontinuierlicher Strahl kalter Atome Ramsey-Fringes StabilitätsmessungenGenauigkeits-EvaluationVergleich mit andern Frequenz Primär

Standards

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Wo stehen die anderen

LPTF (F): mehrere Exemplare funktionieren PTB (D): evaluiert NIST: evaluiert

"Kurz vor Abschluss"

IEN, NPL, NRC, ... ... ...

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Hauptdarsteller

Pierre Thomann

J.-F. Léchenne, Konstrukteur

René Maurer, Mechaniker

Alain Joyet, Doktorand

Natascia Castagna, Doktorandin

Gaetano Mileti, Physiker

Cipriana Mandache, Post-Doc (Rumänien)

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Zusammenfassung

Prinzip eines passiven Atomfrequenznormals Vorteil von langen Interaktionszeiten Prinzip der Laserkühlung Design des kontinuierlichen METAS-ON

Springbrunnens Ramsey-Fringes und Stabilitätsresultate