DER STABILSTE LASER, DER JE GEBAUT WURDE

Die besten Atomuhren zählen die Schwingungen des Lichts, das Atome absorbieren. Dazu brauchen sie einen Laser, dessen Frequenz sich kaum bewegt, damit er extrem schmale atomare Übergänge abtasten kann. Die stabilsten Laser von heute sind an einen kryogenen Siliziumresonator gekoppelt: zwei Spiegel, auf Abstand gehalten von einem Stab aus einkristallinem Silizium, weit unter Raumtemperatur gekühlt. Licht, das zwischen den Spiegeln hin- und herläuft, schwingt nur bei sehr genauen Frequenzen mit, und der Laser wird gezwungen, ihnen zu folgen.

Solche Resonatoren erreichen bereits eine relative Stabilität im Bereich von 10⁻¹⁷ – die Frequenz schwankt um etwa ein Hundertmillionstel eines Milliardstels ihres Werts. In vielen Experimenten ist der Laser noch immer eine der Hauptquellen des Rauschens – ein stabilerer verbessert die Messung also unmittelbar.

Zitternde Spiegel

Was die besten Siliziumresonatoren begrenzt, ist das brownsche thermische Rauschen in den Spiegelbeschichtungen: Die dünnen reflektierenden Schichten sind nie völlig still, weil Wärme ihre Atome zittern lässt. Diese winzige Bewegung verändert die Länge des Resonators und damit die Farbe des Lichts.

Ben Lewis, Jun Ye und ihre Kollegen am JILA (NIST und University of Colorado, Boulder) nahmen gemeinsam mit Physikern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig zwei Änderungen an früheren 21-Zentimeter-Siliziumresonatoren vor:

• Kälter. Frühere Systeme liefen bei 124 K, einer der Temperaturen, bei denen sich Silizium mit der Wärme weder ausdehnt noch zusammenzieht. Der neue Resonator namens Si7 läuft entweder bei 16 K, der anderen solchen Temperatur, oder bei 6 K, der tiefsten, die sein Kryostat erreicht.
• Ein breiterer Strahl. Mit einem sanfter gekrümmten Spiegel (Krümmungsradius 10,2 Meter statt 1 Meter) wächst der Lichtfleck auf den Spiegeln von 480 auf 850 Mikrometer Radius – den Strahl aufzuweiten, ist einer der bekannten Wege, thermisches Rauschen zu senken.

Zusammen senken sie das thermische Rauschen gegenüber den früheren Systemen um das Drei- bis Fünffache.

Kampf gegen Vibrationen in der Kälte

Beide Änderungen machen einen Resonator normalerweise empfindlicher gegen Vibrationen, und um 6 oder 16 K zu erreichen, braucht es einen Helium-Kryokühler – eine Maschine, die rüttelt. Das Team stellte den Kryokühler neben dem optischen Tisch auf den Boden und leitete kaltes Helium über Rohre zum Experiment. Der Resonator steht auf einem aktiven Schwingungsisolationstisch und wird in seiner Mitte von drei Rubinkugeln mit 6 Millimetern Durchmesser gehalten.

Kälte bringt ein weiteres Problem: Nahe dem absoluten Nullpunkt speichern Materialien sehr wenig Wärme, deshalb lassen sich Temperaturschwankungen schwer dämpfen. Die Lösung war Erbium, das bei 16 K pro Volumen 6-mal mehr Wärme speichert als Edelstahl und 13-mal mehr als Kupfer. Schichten von Abschirmungen und Erbiummassen verlangsamen jede Temperaturänderung auf eine Zeitskala von etwa vier Tagen. Der Regelsensor wird bei 16,183 K gehalten, und ein unabhängiger Sensor bleibt innerhalb von 100 Millionstel Grad um seinen Sollwert.

Der Rekord

Im Vergleich mit zwei anderen Siliziumresonatoren und einer Strontium-Atomuhr erreicht der Laser:

• bei 6 K eine relative Stabilität von 7 × 10⁻¹⁸ bei Mittelungszeiten von 2 bis 50 Sekunden – ein neuer Rekord: Schwankungen von nur etwa 1,4 Tausendstel Hertz – und eine Linienbreite (die Streuung der eigenen Frequenz des Lasers) von 2,5 Millihertz, bei einer Lichtfrequenz von 194 Terahertz;
• bei 16 K 9 × 10⁻¹⁸, eine Linienbreite von 2,9 mHz, aber ein besseres Verhalten über Tage hinweg.

Das Rauschen sinkt, wenn der Resonator kälter wird. Das zeigt, dass der Laser seine beabsichtigte Grenze erreicht hat: das thermische Rauschen der Beschichtungen, nicht Vibrationen oder Elektronik.

In zwei Messreihen von 14 und 7 Tagen verfolgte die Strontiumuhr die langsame Drift des Resonators: weniger als 4 Mikrohertz pro Sekunde, vergleichbar mit einem Wasserstoffmaser (dem Referenzoszillator der Zeitlabore) und zehnmal weniger als bei Siliziumresonatoren, die bei 124 K betrieben werden. Der Resonator erreichte das neun Monate nach dem Abkühlen; die 124-K-Resonatoren brauchten ein Jahrzehnt.

Sekundenlange Blicke auf Atome

Der Laser ist bereits im Einsatz. Als Antrieb der Strontium-Gitteruhr (Atome, gefangen in einem Gitter aus Laserlicht) erlaubt er, die Atome länger als 10 Sekunden abzufragen – und je länger die Abfrage, desto schmaler die Linie der Atome, desto genauer kann die Uhr also ihre Mitte finden. Nach 12 Sekunden behält das Interferenzsignal (Ramsey-Streifen) noch 75 % seines Kontrasts, und ein einzelner Puls von 12,4 Sekunden ergibt eine Linie von nur 64 Millihertz Breite. Der angeregte Zustand von Strontium-87, den die Uhr nutzt, lebt etwa 170 Sekunden – die nächste Grenze für Abfragezeiten.

Auf dem Weg zu 10⁻¹⁸

Der neue Laser wird die bisherige JILA-Referenz ersetzen und laut den Autoren allen optischen Uhren des Boulder-Netzwerks erlauben, eine bestimmte Genauigkeit bis zu zehnmal früher zu erreichen. Kristalline Spiegelbeschichtungen könnten das thermische Rauschen bei 6 K auf etwa 1,5 × 10⁻¹⁸ senken; kältere, längere Resonatoren oder breitere Strahlen könnten es auf 1 × 10⁻¹⁸ oder darunter drücken. Ein Rätsel bleibt: zusätzliches Rauschen jenseits von 100 Sekunden, dessen Quelle noch kein Sensor im Kryostaten ausmachen kann.