Deformiertes Isotop zur Zeitmessung Neue optische Atomuhr in Sicht

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In Ytterbium-173 sehen Forscher einen vielversprechenden Kandidaten für hochpräzise optische Atomuhren. Eine damit erstellte Multi-Ionen-Uhr könnte die hohe Genauigkeit einzelner Ionen mit der verbesserten Stabilität mehrerer Ionen kombinieren und sich auch als Speichereinheit in Quantencomputern eignen.

Den Takt der Zeit auf der Welt geben seit vielen Jahren verlässlich die Cäsium-Atomuhren an. Aber die Zukunft gehört noch genaueren optischen Atomuhren. Mit ihnen könnte in einigen Jahren die Definition der Basiseinheit Sekunde im Internationalen Einheitensystem SI geändert werden.

Optische Atomuhren mit einzelnen Ionen (etwa mit Ytterbium-171) sind dabei besonders genau, während Uhren mit mehreren Teilchen (beispielsweise Strontium-Atomen) durch große Stabilität bestechen. Tanja Mehlstäubler forscht an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) an einer Kombination der beiden Eigenschaften und hat bereits eine Multi-Ionen-Uhr mit Indium realisiert. Jetzt hat sie für die Multi-Ionen-Idee ebenfalls Ytterbium im Blick, allerdings ein neues Isotop: Ytterbium-173. „Dieses Isotop hat einen besonders interessanten Übergang“, sagt die Physikerin.

Übergang nennt man den Quantensprung, den Forschende in jeder Atomuhr erreichen wollen: den Wechsel des Quantenzustandes, der nur mit einer ganz bestimmten Frequenz von Mikrowellen- oder Laserstrahlung gelingt. Für die aktuellen Cäsium-Atomuhren nutzt man Mikrowellenstrahlung. Die optischen Uhren arbeiten mit Laserstrahlung. Weil diese Schwingungen etwa hunderttausend Mal schneller sind, ist die Zeit feiner unterteilbar und genauer messbar.

Stabile Messungen dank lange angeregtem Zustand

Der Quantensprung in dem neuen Ytterbium-Isotop führt zu einem angeregten Zustand mit sehr langer Lebensdauer. „Das ermöglicht uns stabilere Messungen“, sagt Erstautor Jialiang Yu. „Aber solche Übergänge erfordern normalerweise starkes Laserlicht, was wiederum große Nachteile haben kann.“ Dieses Ytterbium-Isotop hat jedoch einen speziell geformten Atomkern und besondere Eigenschaften, die es dem Team möglich machten, die Probleme zu überwinden und sogar mehrere Ionen gleichzeitig anzusteuern.

So ist jetzt der Weg frei für eine optische Ytterbiumuhr mit mehreren Ionen, die die hohe Genauigkeit von Einzelionenuhren mit der verbesserten Stabilität des Mehrionenbetriebs kombiniert. Die neue atomare Spezies eignet sich ebenfalls sehr gut als Multi-Qubit für die Quanteninformation, da sich die Quantenzustände extrem genau per Laserstrahlung manipulieren lassen und mehr Quanteninformation gleichzeitig enkodiert werden kann. So bietet sich hier eine neue Möglichkeit für die Quantencomputerforschung.

Einblicke in Kernphysik

Die erstmalige Messung der Lebensdauer des Uhrenzustands liefert wertvolle Informationen über die Struktur des Atomkerns und ermöglicht empfindliche Tests der Kernphysik, etwa auf mögliche Effekte jenseits des Standardmodells der Physik.

Die Arbeit wurde unter anderem unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DQ-mat), durch die Deutsche Exzellenzinitiative (QuantumFrontiers-390837967) im Rahmen des EU-weiten Metrologieforschungsprogramms (EMPIR-Projekt 22IEM01 TOCK) und durch das Max-Planck-RIKEN-PTB-Center for Time, Constants and Fundamental Symmetries.

Originalpublikation: J. Yu, A. Prakash, C. Zyskind, I. A. Biswas, R. Kaewuam, P. Phoonthong, T. E. Mehlstäubler: Nuclear spin quenching of the 2S1/2 - 2F7/2 Electric Octupole Transition in 173 Yb+, Phys. Rev. Lett 136, 023002 (2026); DOI: 10.1103/fx1b-5666

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