Optische Atomuhren gelten als Favoriten für die künftige Definition der SI-Sekunde. Ein Team der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und des National Institute of Metrology Thailand (NIMT) berichtet nun in Physical Review Letters über einen vielversprechenden neuen Ansatz: eine optische Multi-Ionen-Uhr auf Basis des Isotops Ytterbium‑173. Sie zielt darauf, die extreme Genauigkeit von Einzelionenuhren mit der hohen Signalstabilität vieler gleichzeitig vermessener Ionen zu verbinden.
Kern des Fortschritts ist ein „Uhrenübergang“ in 173Yb+, der zu einem angeregten Zustand mit außergewöhnlich langer Lebensdauer führt – eine Voraussetzung für stabile Messungen. Solche Übergänge erfordern typischerweise starkes Laserlicht mit unerwünschten Nebenwirkungen. Aufgrund der besonderen Kernstruktur und spezifischer Eigenschaften von 173Yb+ konnte das Team um Tanja Mehlstäubler diese Hürden überwinden und den Übergang sogar in mehreren Ionen gleichzeitig ansteuern. Das Team bestimmte dabei erstmals auch die Lebensdauer des Uhrenzustands.
Diese Ergebnisse ebnen den Weg für eine optische Ytterbium-Multi-Ionen-Uhr, die in diesem langlebigen Zustand arbeitet und Genauigkeit und Stabilität vereint. Darüber hinaus ist 173Yb+ als Multi-Qubit-System für die Quanteninformationsverarbeitung attraktiv, weil sich seine Quantenzustände äußerst präzise per Laser kontrollieren und mehr Quanteninformation gleichzeitig kodieren lassen. Die erstmals gemessene Lebensdauer liefert zudem neue Einblicke in die Kernstruktur und ermöglicht empfindliche Tests der Kernphysik, einschließlich potenzieller Effekte jenseits des Standardmodells.
Die Arbeit entstand unter anderem im Rahmen des Exzellenzclusters QuantumFrontiers und des Sonderforschungsbereichs DQ‑mat.
Original Publikation
Nuclear Spin Quenching of the 2𝑆1/2→2𝐹7/2 Electric Octupole Transition in 173Yb+
Jialiang Yu, Anand Prakash, Clara Zyskind, Ikbal A. Biswas, Rattakorn Kaewuam, Piyaphat Phoonthong, Tanja E. Mehlstäubler
Phys. Rev. Lett. 136, 023002
DOI: https://doi.org/10.1103/fx1b-5666
