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Neue Chip-Frequenzkämme könnten tragbare Atomuhren ermöglichen
Optische Atomuhren kommen ohne einen präzisen Übersetzer zwischen Lichtfrequenzen und elektronischen Taktsignalen nicht aus. Ein neuer Frequenzkamm auf einem Chip erzeugt seine Messmarken zwischen zwei Lasern und richtet sie automatisch aufeinander aus. In Tests bewährte sich der Aufbau bei drei zentralen Messaufgaben, die für kompaktere Atomuhren und andere Präzisionsgeräte wichtig sind.
College Park (U.S.A.). Optische Atomuhren nutzen die Schwingungen von Laserlicht, das an Übergänge in Atomen gekoppelt ist. Weil diese Schwingungen hunderte Billionen Male pro Sekunde stattfinden, können elektronische Schaltungen sie nicht direkt verfolgen. Dafür benötigen die Uhren einen optischen Frequenzkamm, der zwischen den schnellen Lichtschwingungen und langsameren elektronisch messbaren Signalen vermittelt.
Ein solcher Frequenzkamm erzeugt viele Lichtfrequenzen in gleichmäßigen Abständen, ähnlich den Strichen auf einem Lineal. Mit ihnen lassen sich die Frequenzen unterschiedlicher Laser vergleichen und präzise Zeitsignale erzeugen. Zwar gibt es bereits hochgenaue Anwendungen optischer Frequenzkämme, doch die nötige Technik beansprucht häufig noch viel Platz.
Forscher der University of Maryland (UMD) um Grégory Moille haben nun einen chipbasierten Frequenzkamm erprobt, der wichtige Messaufgaben mit demselben Bauteil erfüllt. Entscheidend ist dabei nicht nur die Miniaturisierung, sondern ein anderer Weg zur Erzeugung und Stabilisierung der Lichtfrequenzen.
Statt das Frequenzspektrum von einem einzelnen Laser aus nach beiden Seiten zu erweitern, speist das Team zwei Laser in einen ringförmigen Mikroresonator aus Siliziumnitrid. Ihre Frequenzen liegen ungefähr eine Oktave auseinander, die höhere ist also etwa doppelt so groß wie die niedrigere. Durch die Wechselwirkung des Lichts im Ring entstehen dazwischen weitere regelmäßig angeordnete Frequenzen.
Bei früheren Varianten konnten sich mehrere gegeneinander verschobene Frequenzraster überlagern. In dem neuen Aufbau richten sich die durch sogenannte parametrisch angetriebene Solitonen erzeugten Linien dagegen selbst auf beide Laser aus. Der entstehende einheitliche Frequenzkamm wird von den Forschern als SParCS bezeichnet.
Das ist auch für präzise Messungen wichtig. Bisherige Chip-Frequenzkämme liefern an den Rändern ihres Spektrums oft besonders schwache und störanfällige Signale, obwohl gerade diese zum Bestimmen des Frequenznullpunkts gebraucht werden. Bei dem neuen Ansatz bilden die beiden Laser die äußeren Bezugspunkte, sodass die relevanten Signale besser kontrollierbar sind. Die Forscher erzeugten damit ein zusammenhängendes Spektrum über rund 220 Terahertz.
„Für uns als Experimentatoren hat dieser neue optische Frequenzkamm einen großen Teil unserer Arbeit vereinfacht“, erklärt Grégory Moille.
Um die Einsatzmöglichkeiten zu prüfen, haben die Wissenschaftler denselben Mikroresonator mit unterschiedlichen externen Lichtquellen und Referenzsignalen kombiniert. Zunächst übertrugen sie die Stabilität einer Mikrowellenreferenz auf optische Frequenzen. So lässt sich mithilfe elektronisch messbarer Signale die Frequenz von Laserlicht präzise bestimmen.
Anschließend kehrten sie die Richtung um und wandelten die hohe Frequenz stabilen Laserlichts in ein rauscharmes Mikrowellensignal um. Mit einer an Atome gekoppelten optischen Referenz zeigten sie außerdem, dass der Frequenzkamm ein Taktsignal für die elektronische Auswertung einer optischen Atomuhr liefern kann. Damit wurden drei zentrale Funktionen der optischen Frequenzmesstechnik an einer gemeinsamen Plattform erprobt.