Koreanisches Labor misst Strontiumfrequenz 50-mal genauer

Seit 88 Jahren beruht die Zahl, die einem Laser verrät, wo er sich einstellen muss, um ein Strontiumatom einzufangen, auf einer Messung aus dem Jahr 1938. Damals hatten Forscher das Sonnenlicht mit dem Bogenlicht von Strontium verglichen. Das Koreanische Forschungsinstitut für Standards und Wissenschaft (KRISS) hat diese Frequenz nun erneut gemessen, und der neue Wert hat eine Unsicherheit, die um mehr als das 50-Fache verringert wurde. Die Messung betrifft den optischen Übergang von Strontium bei 461 Nanometern, das Ergebnis ist im Fachjournal Metrologia veröffentlicht.

Der alte Wert war für die heutige Arbeit nie genau genug. Strontium kommt in optischen Gitteruhren und Quantensensoren zum Einsatz; dort müssen schnell bewegte Atome durch Laser abgebremst und eingefangen werden, die exakt auf die Resonanzfrequenz eines einzelnen Atomübergangs abgestimmt sind. Ohne eine verlässliche Zahl mussten Experimentatoren die Reaktion der Atome direkt beobachten und den Laser durch Probieren nachjustieren, ähnlich wie beim Suchen eines Senders am Drehknopf eines analogen Radios. Der neue Wert ersetzt diese Suche durch einen Bezugspunkt. Die Unsicherheit liegt nun bei etwa 5 Megahertz, nach einer, wie das Team sagt, einjährigen Messkampagne mit Präzisionsmessungen.

Das zentrale Werkzeug ist ein „photonischer Gitterchip“, den das KRISS gemeinsam mit dem Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) und dem National NanoFab Center entwickelt hat. Seine Oberfläche trägt ein feines Gitter, das Licht im Vakuum in festgelegte Richtungen beugt und reflektiert. Herkömmliche Aufbauten richten mehrere externe Spiegel aus, und jeder davon kann mechanische Vibrationen aufnehmen. Der Chip beseitigt einen Großteil dieser Fehlerquelle, und ein einziger Chip kann Laserstrahlen in mehrere Richtungen erzeugen, was den optischen Aufbau vereinfacht. Nachdem die Gerätefehler verringert waren, bestimmten die Forscher die Frequenz mit zwei Methoden, die auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen. Die eine liest aus, wie die Atome auf Licht reagieren, während sich die Laserfrequenz ändert. Die andere leitet die Frequenz aus der Geschwindigkeitsverteilung eines durch Laser abgebremsten Atomstrahls ab. Die beiden Ergebnisse stimmen innerhalb ihrer Fehlergrenzen überein, und der endgültige Wert kombiniert sie gemäß internationalen Richtlinien.

Die Messung ist an die koreanische Normalzeit gebunden, den nationalen Zeit- und Frequenzstandard, den das KRISS pflegt. Dieser Standard ist mit dem Internationalen Einheitensystem verknüpft, sodass der Wert überall auf der Welt mit derselben Referenz verglichen werden kann. Für die Entwickler dieser Geräte ist der Nutzen praktisch: ein gemeinsamer, genauer Ausgangspunkt, statt einer Zahl, die in jedem Labor neu ermittelt werden muss. Dr. Jae Hoon Lee, leitender Forschungswissenschaftler in der Gruppe Atomic Quantum Sensing des KRISS, beschreibt die Tragweite so: „Die eigentliche Bedeutung dieser Forschung liegt nicht einfach darin, dass wir einen einzelnen Frequenzwert neu gemessen haben, sondern darin, dass wir proaktiv einen präzisen Messbezugspunkt für die Quantentechnologien der nächsten Generation bereitgestellt haben.“

Das Team erwartet, dass der Wert dabei hilft, Quantengeräte der nächsten Generation von sperrigen externen Referenzen für atomare Frequenzen zu befreien, besonders in Kombination mit der derzeit entwickelten Technologie zur optischen Frequenzsynthese. Außerdem soll er die Miniaturisierung und Kommerzialisierung von Geräten mit kalten Atomen beschleunigen. Dabei handelt es sich um Erwartungen, nicht um Produkte: Das Ergebnis ist eine einzelne Messung eines Übergangs, und es muss noch von Uhren- und Sensorherstellern übernommen werden. Das KRISS nennt weder einen Zeitplan für kommerzielle Geräte noch einen industriellen Partner.