"Die meisten konventionellen Atomuhren benötigen eine konventionellere, nicht-atomare Uhr wie einen Quarzkristall, damit sie weiter ticken", sagt William Happer gegenüber PhysOrg.com . „Wir haben ein System entwickelt, das mithilfe eines speziellen Lasers selbsttickt.“

Happer ist Wissenschaftler an der Princeton University. Zusammen mit seinem jungen Kollegen Yuan-Yu Jau erfand er einen Push-Pull-Laser-Atomoszillator, der sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignet, einschließlich Fragen der Grundphysik, der Verwendung in tragbaren Atomuhren und kohärenten optischen Kämmen. "Wir haben nicht wirklich über Anwendungen nachgedacht", sagt Happer. „Wir sind Physiker. Wir wollten nur sehen, ob wir diese Art von Oszillator zum Laufen bringen können. “Die Ergebnisse von Happers und Jaus Arbeit sind in den Physical Review Letters zu finden :„ Push-Pull Laser-Atomic Oscillator “.

Jau erklärt, dass sie, obwohl sie keine bessere tragbare Atomuhr bauen wollten, der Meinung sind, dass sie es geschafft haben. „Wir glauben, dass dies die erste Demonstration ist, bei der ein Oszillator hergestellt wird, der auf rein optische Weise ein Atomuhrsignal sowohl in elektrischer als auch in optischer Form erzeugt“, sagt er. „Das ist einfach. Es gibt weniger Komponenten und weniger Stromverbrauch. “

„Die neue Uhr benötigt weder einen Quarz mit Elektronik noch einen Fotodetektor“, fügt Happer hinzu.

Jau und Happer erklären, dass in konventionellen Atomuhren ein Quarzkristall „als Schwungrad verwendet wird, um die Uhr stark ticken zu lassen, wobei die Atome ein schwaches Kontrollelement darstellen.“ Sie weisen darauf hin, dass die Uhr stoppt, wenn der Quarzkristall ausfällt Arbeiten. "Dies sind die Arten von Uhren, die in GPS-Satelliten und in Handytürmen verwendet werden", sagt Happer.

Jau weist darauf hin, dass eine bessere Präzision immer wichtiger wird: „Mini-Atomuhren können hilfreich sein. Es gibt viele Systeme, die immer schneller arbeiten und große Datenmengen übertragen, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitskommunikationen. Eine solche Laser-Atomuhr wäre mit vergleichbarer Präzision weniger kompliziert als die herkömmliche. “

Der von beiden gebaute Gegentaktlaser-Atomoszillator besteht aus einem Halbleiterlaser mit Alkali-Dampf (in diesem Fall Kalium) im äußeren Hohlraum. Ein zeitunabhängiger Strom wird verwendet, um den Halbleiterlaser zu pumpen. "Der Laser moduliert sein Licht und seine elektrische Impedanz automatisch mit der Taktfrequenz der Atome", sagt Happer. Dies macht einen externen Modulator wie den Quarz oder einen Fotodetektor überflüssig.

"Es ist wirklich ein aufgemotzter modusgesperrter Laser", sagt Happer. „Obwohl unser Laser viel mit einem modengekoppelten Laser gemein hat, gibt es einige Unterschiede. Die Atome in der Dampfzelle stellen fest, ob die Frequenz des modengekoppelten Lasers abweicht, und korrigieren die Frequenz automatisch, ohne dass externe Rückkopplungsschleifen erforderlich sind. “

Happer fährt fort: "Ein wichtiger Vorteil des Gegentaktpumpens mit alternierender zirkularer Polarisation ist, dass keines der Atome verschwendet wird."

„In den meisten Atomuhren werden viele Atome verschwendet“, fügt Jau hinzu. Nur sehr wenige sind im Uhrenzustand. Durch dieses Push-Pull-Pumpen werden alle Atome in einen Uhrzustand versetzt. “

Auf dem Weg entdeckten die beiden etwas Interessantes. „Die Selbstmodulation erfolgt über einen begrenzten Bereich des Laserinjektionsstroms. Wir waren nicht überrascht, dass zu wenig Strom nicht funktionierte. Was uns überraschte, war, dass zu viel Strom den Laser dazu brachte, nicht mehr zu modulieren “, sagt Happer.

Jau fährt fort: „Dieser neue Oszillator, bei dem die polarisierten Atome, die modulierten Photonen und die Laserverstärkungszentren miteinander gekoppelt sind, hat eine sehr reiche und interessante Physik. "

Happer weist darauf hin, dass diese Oszillatoren nicht die extrem genauen, aber großen Atomuhren ersetzen könnten, die ganze Räume einnehmen. "Es geht wirklich darum, die Funktionsweise kleiner, tragbarer Atomuhren zu verbessern", betont er. „Es werden keine Quarze oder Fotodetektoren benötigt. Wir hoffen, dass die Herstellung mit weniger Teilen kostengünstiger und stabiler ist. “

Jau stimmt zu: „Dies ist eine primitive Idee, wie man eine Atomuhr mit rein optischen Methoden ohne Quarzkristall herstellt. Aber es funktioniert besser mit reduzierten Bauteilen und geringerem Stromverbrauch. “

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