Optical Frequency Standards

Yb+ E2 Yb+ E3 Sr lattice

Under Development

Al+ Quantum Logic Multi-Ion Th-229

nuclear

New Technology

Microwave Generation

Silicon cryo cavity

Frequency distribution

via fibers

Optical Frequency Standards at PTB

Clock Hall in Kopfermann-Building of PTB, Braunschweig

• Legal time for Germany• 4 primary cesium clocks• Time distribution via long-wave radio DCF77 / internet / telephone• Time transfer of highest precision for international atomic time scales TAI and UTC

• Cesium fountain clocks• Optical clocks with trapped ions

Time and Frequency Department, Head: E. Peik

Primary ClocksS. Weyers

Time Scales andTime Dissemination

A. Bauch

Optical Clockswith trapped ions

E. Peik

QUEST JRGMultiion Traps

T. Mehlstäubler

Quantum Optics Department, Head: H. Schnatz:Sr lattice clock, Frequency transfer by fiber links

QUEST Institute Quantum Metrology, Head: P. SchmidtAl+ quantum logic clock

Caesium fountainsCSF1, CSF2

UTC(PTB), CS1, CS2, H-Masers,Longwave radio DCF 77, telephone, NTPTWSTFT, GNSS, pivot for BIPM

Yb+, quadrupole and octupole transitions, femtosecond frequency combs,optical nuclear spectroscopy of Th-229

Novel ion traps, Yb+

New generation of UTC(PTB) and legal time for Germany (A. Bauch)

Previously: CS2 alone (ran out of Cs after 24 years of operation)Now: H-Maser steered by primary Cs clocks.Steering uses primarily data from CSF1, secondly the other available Cs clocks→ improved short term stability, use of PTB‘s most precise clocks for UTC

UTC(NIST)-UTC(PTB) via GPS PPP three days before and after the switch on 28.01.2010

Operation of CSF1 as a primary clock in 2010 (S. Weyers)

- Available measuring time in 2010: 94.5%- TAI calibration reported to BIPM for 100 days- Three optical frequency measurements: Yb+ Octupole

Sr H (MPQ-Munich, via fiber link)

This year: modernisation (aim uB: from 0.8 → ~0.4 10-15)

MJD55260 55310 55360 55410 55460 55510

y(C

SF

1 -

H6

bzw

. H8)

· 10

15

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

y(CS

F1 - H

5) · 1015

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

Frequencies of three H masers in comparison with CSF1

Construction of a new TWSTFT antenna site (D. Piester, M. Rost, A. Bauch)

• unification of all two-way-links (Europe, Asia, USA) on one antenna site with airconditioned measurement laboratory nearby • opportunity for new links • new technology: ACES MWL, laser links

On the roof of the former reactor buildingOn PTB campus

PTB participation in the ground segment for the ACES mission

ACES science goals (a.o.):

Arbeitsgruppe Zeitübertragung: Zeitskalen, Zeit- und Frequenzübertragung

Betrieb der „klassischen“ Cäsiumuhren CS1, CS2

Langwellensender DCF77

PTB-Zeit über NTP-Server: 100 Millionen Abfragen pro Tag

FB 4.4 Zeit und Frequenz

Ekkehard Peik FB in Gebäuden:

FB 4.4 Zeit und FrequenzEkkehard Peik

AG 4.41 ZeitnormaleStefan Weyers

AG 4.42 ZeitübertragungAndreas Bauch

AG 4.43 Optische Uhren mit einzelnen IonenEkkehard Peik

SeSc 4.40 Optische FrequenznormaleChristian Tamm

Aufgabe: Realisierung und Weitergabe der SI-Sekunde und der gesetzlichen Zeit, UTC(PTB)

Entwicklung und Betrieb primärer Caesium-Uhren,

Internationale Zeitvergleiche,

Optische Uhren mit gespeicherten Ionen.

Kopfermann-Bau

Giebe-Bau

Stefan Weyers

• Aufgabe: Realisierung der SI-Sekunde Darstellung der gesetzlichen Zeit (mit 4.42) Beiträge zur Steuerung von TAI • Schwerpunkte (F&E): Caesium-Fontänenuhren als Primärnormale für die Zeiteinheit

• Dienstleistungen - Steuerung von UTC(PTB) mit Fontänenuhren - Messung optischer Frequenzen

• Internationale Zusammenarbeit- Working Group on Primary Frequency Standards - andere NMI‘s: NIST, NPL, NPL-India, SYRTE

AG 4.41 Zeitnormale

Kopfermann-Bau

• Aktuelle Ziele-Verringerung der syst. Unsicherheit auf wenige 10-16

- Verbesserung der Instabilität durch Einbindung einer optisch stabilisierten Mikrowellenquelle

Andreas Bauch

• Aufgaben:

Darstellung und Verbreitung der Zeitskala UTC(PTB) und der gesetzlichen Zeit

• Schwerpunkte (F&E):

UTC(PTB) gestützt auf Cs-Fontänen von 4.41, Methoden für internationale Zeitvergleiche: GPS- basiert, TWSTFT sowie Zeitübertragung mittels Glasfasern

• Dienstleistungen:

DCF77, Telefonzeitdienst, Internet-Zeitdienst (mit Q.42), Normalfrequenz- verteilung in der PTB, Begutachtungen für die DAkkS, Kalibrierungen

• Besondere Aktivitäten in 2012-2013:

Bezug des Messplatzes Meitner-Bau für Satelliten-Zeitvergleiche, Vorbereitung der ACES Kampagne

AG 4.42 Zeitübertragung

• Internationale Zusammenarbeit:

Euramet TCTF, ESA /EC wg. Galileo,Dirk Piester: CCTF WG TWSTFT

Kopfermann-Bau

Ekkehard Peik

• Aufgabe: Forschung zu optischen Frequenznormalen höchster Genauigkeit.

• Schwerpunkte (F&E): Lasergekühltes Yb+-Einzel-Ion (zwei Referenzübergänge) Optischer Kernübergang im 229ThOptische Frequenzmessung; Grundlagentests wie da/dt

• Aktuelle Projekte Oktupolübergang in Yb+: Unsicherheit 10-17 Kern-Anregung von 229Th bei Th+ über elektronische Brückenprozesse Erste Studien zu Th-dotierten Festkörpern

AG 4.43 Optische Uhren mit einzelnen Ionen

Giebe und Kopfermann

• Wichtigste KooperationenQUEST (EP: PI und Priv.-Doz. an LUH)Inst. for Laser Physics, Russian Academy of SciencesEMRP-Projekt mit NPL, MIKES, CMI

Christian Tamm

• Aufgabe:

(Weiter-) Entwicklung optischer Frequenznormale mit 171Yb+

• Schwerpunkte (F&E): Ein-Ion-Fallen, Sub-Hz-Laser, Atomphysik, Optik, Elektronik, Software, Messmethoden

• "Dienstleistung": Know-how-Austausch mit FB 4.4 und 4.3, QUEST-JRG, externen AGs, ...

• Besondere Interessen:

Neue Ansätze zur Anregung / Spektroskopie des Kernübergangs in 229Thn +

SeSc 4.40 Optische Frequenznormale

Giebe und Kopfermann

Ausrichtung und Vernetzung der AGs im FB 4.4

Der FB 4.4 verknüpft im Bereich Zeit und Frequenz Forschung und Dienstleistung.Dies trägt wesentlich zur positiven Außendarstellung der PTB bei..