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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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"Designer-Atome" für neue Generation von Atomuhren |
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| | | Innsbrucker Forscher haben die Grundlage für eine neue Generation von Atomuhren geschaffen: Dazu verwendeten sie "Designer-Atome" - zwei verschränkte Kalzium-Ionen, die besonders unempfindlich gegenüber äußeren Störungen sind. |
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Diese Technologie könnte in Zukunft Atomuhren hervorbringen, die etwa zehn Mal präziser arbeiten, d.h. vom Ideal nur eine Sekunde in einer Milliarde Jahren abweichen. Das berichtet ein Team um Christian Roos vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften.
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Die Studie "'Designer atoms' for quantum metrology" von C. F. Roos et al. erschien in "Nature" (Bd. 443, S. 316-19; doi:10.1038/nature05101). |
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 Abstract |
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Von Pendel und Unruh ... |
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Seit Jahrhunderten verwenden Uhrmacher möglichst gleichmäßige Bewegungen, um Zeit zu messen. Lange reichten Pendel und Unruh in diversen Ausführungen, im vergangenen Jahrhundert revolutionierten schwingende Quarzkristalle und schließlich Atome als Impulsgeber die Zeitmessung.
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... zu Cäsium & Co |
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Bei so genannten Atomuhren wechseln Cäsium-Atome zwischen zwei Zuständen - üblicherweise mit Frequenz im Giga- und Terahertz-Bereich. So genau Atomuhren mittlerweile auch sind, für die ausgeklügelten Messungen physikalischer Fundamentalkonstanten sind sie durchaus verbesserungswürdig. Ein Problem bei Atomuhren ist die Störung von außen - etwa elektrische Felder.
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Verschränkung macht robust |
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Um dieses Problem zu umgehen, verwendete Roos nun so genannte verschränkte Teilchen. "In Systemen aus zwei oder mehr verschränkten Teilchen lassen sich Klassen von Zuständen finden, die unempfindlich gegen bestimmte Arten von Störungen sind", erklärt Roos.
"Diese so genannten dekohärenzfreien Unterräume sind wichtig für den Bau von Quantencomputern, müssen dort doch die empfindlichen Quantenzustände vor schädlichen Einflüssen aus der Umgebung geschützt werden. Diese Zustände nutzen wir nun auch für unsere Messungen der Zeit."
Für die jüngsten Experimente verschränkten die Innsbrucker Physiker zwei Kalzium-Atome, die in einem Abstand von rund 0,005 Millimeter in einer Ionenfalle eingesperrt wurden. Dabei blieb die Verschränkung bis zu einer Sekunde aufrecht. Was im täglichen Leben kurz erscheint, ist für die Physiker eine halbe Ewigkeit.
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Abweichung: Eine Sekunde pro Milliarde Jahren |
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Indem sie die Kalzium-Atome durch die Verschränkung mit einander korrelierten, gelang es den Forschern jedenfalls, die störenden Einflüsse zu eliminieren. "Erst durch Ausschaltung der relativ starken Magnetfelder, lässt sich überhaupt erst der Einfluss der elektrischen Felder auf die Atome nachvollziehen", erklärt Roos.
Und solche Felder sind bei den Experimenten quasi allgegenwärtig. Sie entstehen etwa durch Ladungen auf der Oberfläche der Ionen-Fallen. "Die quantenmechanische Verschränkung erzeugt so aus zwei Atomen eine Einheit mit Eigenschaften, die weder das eine noch das andere Atom für sich alleine besitzt, damit eröffnen sich neue Wege für Präzisionsmessungen", so der Forscher.
Während die heute üblichen Cäsium-Atomuhren in bis zu 100 Millionen Jahren eine Sekunde abweichen, soll der neue Typus so genannter optischer Atomuhren in Zukunft zehn Mal so präzise arbeiten. Die neue Technologie der Innsbrucker Physiker rückt dieses Ziel nun jedenfalls näher.
[science.ORF.at/APA, 21.9.06]
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01.01.2010 |
