John Hall (2012) - Five Decades of Lasers, Six Decades of Progress, and a Proposed Space Experiment to Test Einstein’s Assumptions

Five Decades of Lasers, Six Decades of Progress, and a Proposed Space Experiment to Test Einstein’s AssumptionsAbstract: Even though this is the 51st year of the Laser, progress in its control and application in precision measurements is still accelerating

Thank you. It's totally fun for me to come and interact with the vibrating energy that you young people bring. It's the reason that people go into teaching. My wife and I have been in that racket now for 80 something years aggregated, it's totally good fun. So in Boulder it's not a bad place to have your labs. And the topic which we're usually teaching students now, are primary school students, because we're a little bit afraid about whether there is going to be your replacements in 5 years or 10 years. So in their case we're talking about how to learn. In your case the topic I think is more developing a scientific taste, to think about what would be interesting to learn. And I'm just going to try to use some examples. As you know lasers had their 50th celebration last year. And that's made possible precision spectroscopy. I worked for the government agency that's concerned with mass, length and time. So we've has some fun with that. Spectroscopy has improved by 10 orders of magnitude in resolution. I promised that I would retire when we got to 1 megahertz and then we passed that and came to 1 kilohertz and now 1 hertz and then something in millihertz. So, there's a lot of good things to try. So the kind of questions that kind of bother me when I go for a walk is: Ok, so we have atoms and physicists talk about their being identical. Well, that's confusing to me because I think identical is an operator that doesn't mean comparing 2 things. To me it means a thing. But equivalent maybe is better. Then the other issue is: How narrow can the laser be? Most of the things that make the laser have a broad spectrum are associated with fluctuations in the mechanics of it. Maybe we can make that better, cryogenics or some other idea. What about the fundamental constants? Are those, for example, the mass of the electron or the ratio of proton masses to electron masses? We can build clocks that depend on different things. Internal energies for example, atoms and so on. And one of the kind of clocks that I'm working to make happen now is one that depends on the vibration of molecules. Because you recognise that the mass of some nucleus depends on the strong force that's glued together and we can change the isotopes that we have and that changes the mass by a tiny bit. And part of the part which is not the mass of the parts is strong force. So we would have a window with some reduction of sensitivity. But a window to see how these things work. So that would be interesting. Now, not all places have the same values. Here's a town 30 miles from us which offers you a free Nobel Prize if you buy something in their store. They sell guns, ammo, Glock and even safes that you can carry. Well, a few centuries before there were thoughtful people and they came to consider the issue about atoms. I guess it's because you're grinding this beautiful stone and what is the smallest particle that can be in it. Atoms have been in our universe as physicists of course for some time. Robbie was perhaps the person that really got serious about trying to find out what their properties were. He suggested that you could have an atomic beam with electromagnetic fields to interact with it. And a resonance demonstration was made in 1955. So the idea is that once you measure frequency, that's the way to get more data. And then laser jocks like me have come along later and just extended this to higher and higher frequencies and the new magic understanding is lattice traps. And one is supposed to measure the phase that's going along, write down the phase at different times for example regularly scheduled times. And you find that the averaging is more attractive. So you can obtain more information per second than was previously obtained. So, I'd like to just say quickly about these accurate atomic clocks. The ones on the left, Kurt was having trouble with this. Here was the demonstration level and the second was chosen in 1960 to be not a spin of the earth or even the earth in orbit but rather some number of oscillations of caesium atoms. And then one could remove some of the technical difficulties. In middle 1990's the idea of using lasers for atomic cooling came up and so then some new things happened. It takes a while for that to have an impact. So the fountain clock was about on schedule. We tried to build optical clocks. In the beginning we had technical problems and concept problems. But finally the combination of cooling and better laser stuff, we came surging down also. So, here is where the NIST fountain is now. Actually a little bit below 10^-16. Here is what has been achieved by thinking of all the mistakes that might be in determining the frequency of mercury+. And here is where we are with the strontium atom in an optical lattice. I'll come back to this in more detail in a second. Anyway, the numbers on the right are the ones to look at, it's 10^-16. So we have 2 ways of getting things that are fun to think about. One is to go to where they are. You can see where the mountains are and you build an accelerator which can excite that energy. You can have that mass and it's in your laboratory for a femtosecond or exasecond or some other small time. Another is to see that there is something, a mountain range that's away because the ground is tilted where we are. And if we measure dispersion, we have a 1 over the detuning dependence. So these 16 or 18 digits really are available to us for exploring what the phenomenon is. So, strontium is really nice when it actually holds the record for the quality factor and the signal noise. If we go from frequency to length, in the Treaty of the Metre it was decided to use bars like this of special alloys. But of course lasers came and it was possible to get sub-Doppler peaks which were really narrow and very strong. So you can have high signal noise ratio. So if you make wavelength measurement compared with the standard, these are the laser fringes, these are the fringes of the standard, it's quite clear which way you'd like to go. Even so with a krypton standard you could have something in 10^-9. So in the end we're going to be wanting to measure optical frequencies. We're going to start at this caesium frequency, 9.192.631.770. It used to be fun to dial that number. Now it shows up, it says not working number. But anyway the place where you'd like to go might be this mercury ion transition. It's higher in frequency. It's a petahertz roughly in the UV. So the frequency ratio we need is 115,000. So now we need to talk about how are we going to do this. So it's not going to be done with some analogue method to take the protractor and lay down this thing. We've got to have something that's got gears in it, optical gears. So here's what was implemented in Boulder. Ken Evenson was interested in these lasers that made all kinds of different colours with molecular transitions. Joe Wells, his colleague, noticed that this was 8 metres long. And that's what you need in order to get enough optical power that you can drive a second harmonic kind of process and get a factor of 2. And so then you're thinking: Now what's the bits representation factor of 2? To that well it's... You get 64k for 16 bits so this is 18 bits or something like that. So it's 18 lasers or 15 lasers depending on how ambitious you are which are going to have to be all coupled together." So, what happened was that we did that and this metre bar that I showed you was already replaced by a wavelength. Michelson noticed that that was a good thing to do, 1.6 million waves. We as an international collaboration, all the guys like me from different standards labs, couldn't agree whose laser we should use for the length standard but we could all agree that the speed of light was fundamental. And after some negotiating with 46 countries sitting around a table, 2 guys from each country, we could finally agree about this. But it turned out that every country got 1 vote and that didn't respect the aero bars. So we had these really small aero bars, so this number should have been a slightly different one. But only 2 or 3 labs could measure it so it really doesn't matter. So anyway, there's going to be a quiz as you go out. So this represents really a culture change because we have a system of units that are derived in a way that you can go into your lab in Switzerland or your lab in China or any other place and realise the fundamental standards there. So your experiment can be expressed in terms of those standard units. And then a comparison can be done by you printing it in a journal and someone reads the journal. Otherwise you have to transport a standard from one place to another. So these standards that are connected to atomic physics are the key for us having really the scientific society that we have now. Ok and 2 centuries before you could do science and the question would be when you pour these together does it turn blue or yellow but we're past that. Now we're really trying to do numbers for the science. Well, the thing which has been fun in the last decade, even a little bit more for Professor Hänsch's group and ours, is this optical frequency combs. So we have this nice building in Boulder. The program has lasted a long time. I mentioned it's 50 years of lasers, it's also 50 years of me playing with lasers. And in the meantime a brilliant young colleague has come to the fore and is now running the laboratory beautifully. Over that time the people of America and their parents and their children have paid in some taxes and run these agencies that then have given funds to us. One thing which we can contribute back is some knowledge. Well, we contributed 3 kids into the gene pool, we even have grandchildren. But in this building we have started with 8 experimental people and now we have this JILA institute, perhaps some of you have heard of the name. And in these 50 years we've worked hard on trying to understand how does one work cooperatively to make research be the most powerful. So, let me just give you a top view of what happened. Some of you started in this mid time, a few of us older folks that have trouble with knees or hearts or whatever started back here and we watched the laser come on. I didn't pay much attention to this gas laser because that was announced 6 days after Lindy and I had our first son. So I was otherwise interested. But the bottom here is about pulse lasers and the top is about continuously running lasers. And initially it seemed like these were totally different. What's a pulse laser for? It's to generate a lot of heat. For example, you can burn razor blades and a career goal might be to burn through 137 razor blades. Well, that's not my taste. I would rather go some place up here where there's frequencies to measure, the stabiliser I just told you about. And the fun place is over here in the last decade. So by the time we got to 1997 these frequency stabilised lasers had really increased. This is the wavelength axis or frequency and terahertz axis on the top. Lots of different systems, this is by far not all. These are just the ones whose wavelengths had been measured very precisely. And the literature carried a few important things, some kind of things under the radar. The Hänsch paper in '78, Chebotyef paper in the same epoch. And then a little bit more expansive paper just before the new millennium. And they were proposing this absurd idea that you could measure something sharp in frequency by having something sharp in time. And your training probably has some cup on it like mine that these are conjugate parameters. And if you have a sharp frequency you can't have a sharp time. But that's just because we haven't thought well enough because if you have many sharp pulses in time there is a clock in it. It's the repetition frequency, how many radians of optical frequency go by during these time intervals. And that will show up as the spacing of the comb. Each one of these is so narrow in time that its Fourier domain includes frequencies which are clear up here in the optical range. So that's how one gets out of this little intellectual puzzle. So, the Greeks liked the concept of atoms. The people in Columbia with Robby liked the concept of atoms. I like atoms that have optical absorption. So for optical cooling these kind of atoms with simple spectroscopy... Well, actually there's a little bit of complexity because electrons have spin of a half and so these are doublets. But there's another category of atoms which are in group 2 that I really like. Introduced, as any good idea is in this world, simultaneously by lots of different groups and the concept is originally that you have a strong transition. This is in a system which 2 electrons have coupled together to have a spin of a ½ + ½ to give 0. So this has simple energy structure, strong transitions and that means that optical forces can slow this kind of atom down. But to build my clocks out of, my dream was to use this magnetic transition which had something in milliseconds time domain that corresponds to 60 hertz or 100 hertz or kilohertz or something of that scale. And the younger people saw that there was a much more intelligent thing and that's to use the fact that in the triplet system we have the nucleus spins added up to have S=1. And so we have these levels. And in particular this J=0, you can remember from trying to do Clebsch-Gordan algebra that there's no matrix element for that. And that's true at very high precision. So the only way that you can have a transition like this is some kind of perturbation. A hyperfine perturbation for example gives 100 seconds. Now 100 seconds, let's see how many cycles go by if our frequency is 5 times 10^14. Wow that's a lot of cycles. We only have to split that to just a little bit and we're going to really have some precision. So, let me just sketch to you what happened in this comb time. Lots of different ideas came together and what really happened was... The way that I showed up in this is that I just like to learn a lot of things. I heard a talk about some magic fibre and that made it possible to follow the idea professor Hänsch had published. And in a collaboration between Hänsch group and our group we ended up getting this system to work in one step. To connect from the optics and the radio frequency domain. That was in early 2000; by 2001 there was 20 papers from the standards laboratories. And 4 or 5 years later there was a Nobel Prize. So other people thought that that was important. It was certainly important to me because I had spent all the years, my professional years before that trying to learn how to measure frequency and it needed 15 people at the maximum. And now here is something where you can just plug into the side and go have a coffee and you get the frequency. It's due to the magic of this fibre. The outside diameter of this is the same as these fibres that Doctor Wüthrich talked about. We carry around in the top 100 microns or so. Inside this fibre is a solid core and then some air bubbles around it. This was really a solid rod and air tubes around. Then put a shell around it and then it's this big. And you give it to the guys with the carbon dioxide laser and they heat it and they stretch it. And so then they give you back a spool of 20 kilometres of fibre. That's this mass that's drawn out to that length. So this gets smaller and this is only now 1.8 microns in diameter. If you put strong laser in that, that's really going to shake those atoms because the electric field is like a third of the electric field that holds atoms and molecules together. And a red light comes in at the top and you see these coloured things generating. Now the speed of light is a big number, so this is all lit up at the same time almost. And I went to a post deadline paper in a quantum electronics meeting and saw this. So I knew this was pulsing at 100 million times a second because the laser was. But all these colours were simultaneously present. So this is really some kind of optical comb that's starting. This optical comb has the character then in the time domain, it looks like pulses. But we've magnified the time out and we've got breaks in the axis. So in the pulses you can even see a little bit about the optical wiggles that are there. Some interesting details about this in the optical range if you measure frequency. They're spread out nicely. We have a self locking method that was invented by, I don't know, 14 people or something and published again simultaneously. So here is this fibre. So converting 15 people in that lab that I just showed you that had so many long lasers in it. The spectrum that we put in to it from the Ti sapphire laser is broadened out by this. So it can then form an octave of bandwidth, factor 2 of bandwidth. So this is something like a magic rainbow fibre. And when you take all the magic away and just look at what's in the hardware. Here is what replaced all those lasers. It's just a way to turn one laser colour into a million laser colours. That's beginning this complete revolution in how one is going to do optical frequency spectroscopy. So I'd like to speed up here and summarise what's happened. An independent community took those pulse lasers and they wanted them to pulse faster so they started playing with femtosecond lasers. They'd get narrow pulses but they could have faster and faster rates. And finally 100 megahertz or something. The people in Boulder, in Novosibirsk and other places tried to make lasers more stable. Finally you can talk about the phase of this optical frequency and even talk about the milliradiance of phase of that. And some other community is interested in just the total breakdown of any kind of linear approximations. So the order of non-linearity, the scale is 1 million. So that's not a small signal expansion. So this led with these 3 or 4 ideas to some kind of new concept, this optical comb, 39 years after we had lasers. And it's developed in collaboration with the Garching and Boulder groups. So what's happened then is that this barrier that's above this is continues lasers and below this is pulse lasers. It begins to get fuzzy here and finally is completely gone. So now if you have an optical comb you can decide: "Ok, I'm going to talk about this as these femtosecond laser pulses in time and they have this rate." Or you could equally well come to it with a measuring apparatus that says: And you have to resolve down and find which one of the comb lines you're talking about. And then you find out that this is maybe of the order of 1 million lasers and they can be sub-hertz in their line width. So this barrier conceptually between pulse and CW is completely gone. So, I'd just like to say one thing which is obvious after you see it but it's important to have in your mind. What I've talked about is the comb that's in frequency. What I've talked to you about is the source of pulses in time. So here are a few of the wave forms of those that would be added up. So here's 5 of these and if I re-scale it so that I'm adding up some place where they all are in phase, well, it's taller. In fact if I have N of these waves the amplitude is increased by N and the power is by N^2. And since N is about a million waves that are added coherently together, N^2 begins to be an interesting thing. And that's how you go from a little power that's not much different power than what this flash light gives to the kind where it's shredding atoms, can shred atoms. Ok, if you get just a little less than that it jiggles the atoms so much that they make this enormous non-linearity. Of course, the exchange for that is that the duty factor is short. So you have N^2 of power but it's only on for 1 Nth. The more frequencies you add the more narrow that becomes. So it's still just average power which is N times bigger than the component power. That's what you expect. So if we zoom in on this what you see is this green pointer, this one might not be completely frequency stable but I have one I the lab which really is. And you can talk about its frequency and you can know its frequency for a second in advance. And it has a time scale which is rather short. It's 15 decimals and 2 femtoseconds per cycle. But if we look on a different time scale, this green light that you can see oscillating here, it's plus sometimes and it's minus sometimes. Well, it's basically on this slower scale, it's always on. That's how this looks like and you don't see that this is an oscillating signal. But we do have instrumentation in the lab with this faster telescope that we could see that the laser is emitting pulses with for example 1 nanosecond separation. So that's fine, now let's try to compare these. I told you that it's possible with that fibre to make this 1 nanosecond pulse have energy that extended up to the optical frequency range. And so it looks a bit this way. It's chirped because in fact the field is so much that the index refraction depends on what the field is. So the component colours seem like they're fully blurred out. But it's completely the same on each flash. So there is some phase relationship between this and between another one and you can see here that it happens that the envelop and these carrier oscillations... I think we've got a little problem with this pointer... But anyway they're in alignment and so what you can learn from this is that there's a synchronisation in place. So the optical frequency is synchronised with these pulses, that you have the same shape each time. So, I know that there's a harmonic relationship between them. So this is just magic because you start out with no knowledge at all except the early digits. And you find ok there's an energy relationship. Now I change this repetition rate by 1 part in a million and I change the integer by 1 and then I can catch that. Do this 3 times or so and then you're certain of what the harmonic is. It's 1 million and it's 03 at the end and then it changes 04 or 02. So it's unambiguous. And it's just... Magic is too strong, but it's really a marvellous kind of tool. So, let me just insist again that you walk away with the right idea. If you have repetitive pulse trains, you're going to get a comb in time and a comb in space. And the frequency width of a comb line if you start with pulses; it depends on how long you measure it. And if you want to measure it in the conjugate range, how wide it is in time, depends on what's the band width of the ones that you've gotten together all coherent. So this is really an enhancement of our understanding. And I was taught about Fourier things in an epoch when this idea of using plenty of pulses hadn't come yet and we're indebted to these gentlemen for a jump ahead. So what I've told you about is a tool. It's just as good as that one. It's some kind of gears that connects microwaves and optics. There is no... There may be a little bit of chatter in this but there's no slipped pulses. So there's positive interference. Well it's made a fantastically good time. We've had a few joys at research, Munich research. Outdoor laboratory as you saw there. Some paper for one to discuss with your parents about or you can find some primary literature there. And so now I'll tell you in the end just a couple of things about an old person and his career. Well, that was my career and there it goes. And Jun Ye came on board and in the 10 years since he's been there all these kind of things have been possible using the comb. So partly it's he is way smart and partly it's that this is a really explosion time. Who would believe 50 years after we have lasers that the growth rate has increased. There's just fantastic possibilities. So don't sell your stock yet, it's going to be good. Here is one thing which is interesting. How do you make the laser be stable? Well the reason it wasn't stable is mechanics were changing. But if you mount it in the middle and you hold it vertically then part is compressed by the gravity and part is stretched by the gravity and so this more or less cancels the gravity out. So you can see ultimately narrow lines. And to prove that it's narrow you can send it from our labs in the university over to the NIST labs. We have 2 different colours so we have to use combs to compare them. But you get a hertz beat and there's no way of doing. Who cares? Well, people that build accelerators care, people that have to synchronise all these klystrons. People that try to build millimetre wave telescopes in Chile really care. It's so impressive how quickly they pick this up. It's come to my door really soon. And this gang of 20 people on the earth that are interested in super-precise clocks also care. So you can transmit a 10^-7 frequency knowledge in one second. It's just amazing. So, where one would like to go then is to look at atoms with a higher resolution. So the ideal trap for this atom that I showed you. There's going to be interactions of this level up and this level up. And the magic that's happened due to Katori and due to Kimble is that there might be a colour where the interactions are the same. I kind of make that explicit, that some second order Stark interaction. So, as you are already aware this is my usual 1 hour talk which is being given to you at warp speed. But it is possible with this comb business then to simple scan. So there's no averaging, this is just turn a frequency to this value and this is in hertz, 1 hertz per 1 box. So you change the optical frequency by half a hertz and measure what's the transition probability. Change the optical frequency by another half a hertz, measure what's the... just, yeah, here it is. So I am not the person to announce the results but if you keep watching in the literature you'll find spectacular advances come out of Jun's group. One more minute, ok. So, one thing which is interesting about molecules and old people is that we would like some diagnostics. Here's a student that looks green and maybe has a drinking problem or something but you can see the spectrum of what's in him. You can see that the body is trying to get this different isotopes out. You can see that it's culturally hard to get this multidisciplinary research funded. So there's a lot of things which I should tell you about in the longer time but you can build a nice instrument. What I would like to conclude with, this gives me the chance, is some people who have actually made this work happen. Now, how do I go to talk about the people that made it happen? So, this is again multicultural, we have some Asian faces and some young faces and it's pretty fun. We have some young faces in the school. Lindy and I are bringing some joy into these kids. They come from families where the idea that kids and play would be... These girls were totally fascinated by this complicated gear system. Is it going to turn right hand or left hand? And there's some books that are available if you're a parent, there's really a fantastic time. So I thank you for your attention and here is a few references. Applause.

Vielen Dank. Es ist eine große Freude für mich, hier zu sein und diese vibrierende Energie zu erleben, die Sie als junge Menschen mitbringen. Das ist für viele der Grund, in den Schulunterricht zu gehen. Meine Frau und ich sind jetzt zusammengerechnet rund 80 Jahre in diesem Metier tätig und es macht uns sehr viel Freude. Boulder ist kein schlechter Ort für unsere Labors. Wir machen uns ein wenig Sorgen darüber, ob es in fünf oder zehn Jahren noch genügend Nachwuchswissenschaftler gibt. Und deshalb lautet das Thema, das wir Primarstufenschülern heute üblicherweise vermitteln, wie man am besten lernt. In Ihrem Fall geht es wohl eher um das Thema, wie man sozusagen einen wissenschaftlichen Geschmack entwickelt und herausfindet, was interessant wäre zu lernen. Und ich möchte nur einige Beispiele nennen. Wie Sie vielleicht wissen, feierte der Laser im letzten Jahr seinen 50. Geburtstag. Und diese Technik hat die Präzisionsspektroskopie ermöglicht. Ich habe für die Regierungsbehörde gearbeitet, die für Masse, Länge und Zeit zuständig war. Deshalb hatte diese Technik eine besondere Bedeutung für uns. Das Auflösungsvermögen hat sich in der Spektroskopie um zehn Größenordnungen verbessert. Ich prophezeite damals, dass ich in den Ruhestand gehen würde, wenn wir 1 Megahertz erreicht haben. Und dann haben wir diese Hürde hinter uns gelassen und 1 Kilohertz und dann 1 Hertz und jetzt einen Wert im Millihertz-Bereich erreicht. Man kann also viele gute Dinge ausprobieren. Fragen, die mich beispielsweise beschäftigen, wenn ich spazieren gehe, sind: Okay, wir haben also Atome. Und die Physiker sprechen davon, dass sie identisch sind. Das verwirrt mich, weil ich denke, dass das Wort "identisch" einen Operator bezeichnet, der nicht den Vergleich von zwei Dingen bedeutet, sondern eine Sache. Vielleicht ist das Wort "äquivalent" besser. Dann stellt sich noch die andere Frage: Wie schmal kann die Laserlinienbreite sein? Die meisten Dinge, mit denen Laserstrahlen hergestellt werden, weisen ein breites Spektrum auf und sind mit Bewegungen in der Mechanik verbunden. Vielleicht können wir das mit Kryogenik oder einem anderen Ansatz verbessern. Und was ist mit den Fundamentalkonstanten? Sind das beispielsweise die Masse des Elektrons oder das Verhältnis zwischen Protonenmassen und Elektronenmassen? Wir können Uhren bauen, die sich auf verschiedene Dinge stützen. Interne Energien beispielsweise, Atome usw. Und eine Art von Zeitmessern, an deren Umsetzung ich derzeit arbeite, ist eine Uhr, die sich auf die Vibration von Molekülen stützt. Sie wissen ja, dass sich die Masse eines Atomkerns nach der starken Kraft richtet, die für den Zusammenhalt sorgt. Und wir können die vorhandenen Isotope verändern und das verändert dann die Masse ein kleines bisschen. Und ein Teil des Teils, bei dem es sich nicht um die Masse der Teilchen handelt, ist die starke Kraft. Wir hätten also ein Fenster mit einer leicht reduzierten Empfindlichkeit, aber ein Fenster, um herauszufinden, wie diese Dinge funktionieren. Das könnte also interessant sein. Nicht überall gelten dieselben Werte. In einer Stadt rund 30 Meilen von uns entfernt macht ein Laden Werbung damit, dass man bei einem Einkauf dort einen kostenlosen Nobelpreis erhält. Verkauft werden dort Gewehre, Munition, Sicherheitstechnik und sogar tragbare Tresore. Einige Jahrhunderte früher gab es nachdenkliche Menschen, die sich mit der Frage der Atome beschäftigten. Ich nehme an, das geschah, weil man diesen wundervollen Stein zermahlen konnte und herauszufinden wollte, was das kleinste darin befindliche Teilchen ist. Genauso wie Atome gibt es in unserem Universum auch schon eine ganze Zeit lang Physiker. Rabi war vielleicht die Person, die wirklich versucht hat herauszufinden, welche Eigenschaften die Atome haben. Er schlug vor, einen Atomstrahl mit elektromagnetischen Feldern interagieren zu lassen. Dahinter steckte die Vorstellung, dass man über die Messung von Frequenzen mehr Daten erhält. Und dann sind später so Laser-Enthusiasten wie ich aufgetaucht, die das Ganze dann auf immer höhere Frequenzen ausgedehnt haben. Und jetzt heißt das neue magische Verständnis Lattice Trapping. Man sollte also die damit einhergehende Phase messen und die Phase zu unterschiedlichen Zeiten, beispielsweise zu festgelegten regelmäßigen Zeiten, erfassen. Und dann erkennt man, dass die Mittelwerte attraktiver sind. Man kann also mehr Informationen pro Sekunde erfassen, als es früher möglich war. Ich möchte schnell noch etwas zu diesen genauen Atomuhren sagen. Auf der linken Seite befinden sich die, mit denen Kurt Probleme hatte. Hier war die Nachweisebene. Und als Orientierung für die Sekunde wählte man 1960 nicht die Erddrehung oder die Erde in der Umlaufbahn, sondern stattdessen eine gewisse Schwingungszahl von Cäsiumatomen. Und dadurch ließen sich einige technische Schwierigkeiten überwinden. Mitte der 1990er Jahre kam die Idee der Nutzung von Lasern für die Atomkühlung auf. Und das hat dann einige neue Entwicklungen angestoßen. Es brauchte etwas Zeit, bis sich das auswirkte. Und dann trat die Fontänenuhr auf den Plan. Wir haben dann versucht, optische Uhren zu bauen. Zunächst hatten wir technische Schwierigkeiten und Konzeptprobleme. Aber schließlich brachte eine Kombination aus Kühlungs- und besserer Lasertechnik Abhilfe. Das hier ist also der Punkt, an dem die NIST-Fontänenuhr heute steht, aktuell etwas unter 10^-16. Hier sehen Sie, was unter Berücksichtigung aller Fehler erreicht wurde, die in der Ermittlung der Frequenz von Quecksilber+ auftreten können. Und hier sehen Sie, wo wir jetzt mit dem Strontium-Atom in einem optischen Gitter stehen. Ich komme gleich konkreter darauf zurück. Auf jeden Fall geht es hier um die Zahlen auf der rechten Seite, also 10^-16. Wir können also auf zwei Wegen Effekte erhalten, über die es sich nachzudenken lohnt. Der eine besteht darin, dahin zu gehen, wo sie sind. Man beobachtet, wo die Berge sind und baut einen Beschleuniger, der diese Energie anregen kann. Man erhält dann diese Masse und die ist dann eine Femto- oder Exasekunde lang oder für einen anderen kurzen Moment in unserem Labor. Die andere Möglichkeit ist eine entfernte Bergkette, weil der Boden dort, wo wir uns befinden, geneigt ist. Und wenn wir die Streuung messen, haben wir eine 1 durch die Verstimmungsabhängigkeit. Uns stehen also tatsächlich diese 16 oder 18 Stellen zur Erforschung dessen zur Verfügung, was das Phänomen ausmacht. Strontium ist wirklich gut und hält hinsichtlich Qualität und Rauschverhalten wirklich den Rekord. Und wenn wir jetzt von der Frequenz zur Länge kommen, so wurde in der internationalen Meterkonvention die Verwendung solcher Stangen mit Speziallegierungen festgelegt. Aber dann kam natürlich die Lasertechnik und es wurde möglich, Sub-Doppler-Peaks zu erzeugen, die wirklich sehr schmal und stabil waren, sodass ein hohes Rauschverhältnis möglich ist. Wenn man also eine Wellenlängenmessung im Vergleich zum Standard durchführt - das hier sind die Lasernebenlinien, das sind die Nebenlinien des Standards - ist wohl klar, welche Richtung man einschlägt. Selbst mit einem Krypton-Standard könnte man ungefähr 10^-9 erreichen. Letztendlich wollen wir ja optische Frequenzen messen. Wir beginnen also bei dieser Cäsium-Frequenz, 9.192.631.770. Es war mal witzig, diese Zahl als Telefonnummer zu wählen. Jetzt gibt es keinen Anschluss mehr unter dieser Nummer. Aber dennoch könnte der angestrebte Ort dieser Quecksilber-Ionen-Übergang sein. Da ist die Frequenz höher. Im UV-Bereich ist es ungefähr ein Petahertz. Das Frequenzverhältnis, das wir benötigen, liegt bei 115.000. Wir müssen also jetzt darüber reden, wie wir das erreichen. 115.000. Und das müssen wir im Bereich von 10^-16 verfolgen. Das lässt sich also nicht mit irgendeiner analogen Methode mit Winkelmesser bewerkstelligen. Wir brauchen etwas mit einem Getriebe, einem optischen Drehgeber. Und hier ist die Lösung, die man in Boulder eingeführt hat. Ken Evenson interessierte sich für diese Laser, die bei den molekularen Übergängen all diese unterschiedlichen Farben erzeugen. Joe Wells, sein Kollege, stellte fest, dass sie acht Meter lang waren. Und das braucht man, um eine ausreichende optische Leistung zu erhalten, damit man einen sekundenharmonischen Prozess umsetzen kann und einen Faktor von zwei erhält. Und dann denkt man: "Wow, ein Faktor von zwei ist nicht viel, wenn ich doch 115.000 erreichen muss. Was ist schon dieser winzige Repräsentationsfaktor von zwei? Nun ... Man erhält 64k für ca. 16 Bit. Das sind also 18 Bit oder so. Das sind also 18 Laser oder 15 Laser, je nachdem, wie ambitioniert man ist, die alle miteinander verbunden werden müssen." Und genau das haben wir dann gemacht. Und dieser Meterstab, den ich Ihnen gezeigt habe, war bereits durch eine Wellenlänge ersetzt worden. Michelson bemerkte, dass das eine gute Sache war, 1,6 Millionen Wellen. Auf der Ebene der internationalen Zusammenarbeit konnten wir uns als Repräsentanten der unterschiedlichen Standardlabors nicht darauf einigen, wessen Laser wir für den Längenstandard verwenden sollten. Einig waren wir uns aber alle darüber, dass die Lichtgeschwindigkeit fundamental ist. Und nach einigen Verhandlungen am Runden Tisch mit jeweils zwei Vertretern aus 46 Ländern konnten wir uns schließlich doch einigen. Aber es stellte sich heraus, dass jedes Land eine Stimme haben würde und damit die Aero-Stäbe nicht berücksichtigt würden. Wir hatten also diese wirklich kleinen Aero-Stäbe, sodass diese Zahl eigentlich etwas anders hätte ausfallen müssen. Aber das konnten nur zwei oder drei Labors messen, sodass das schließlich egal war. Dazu gibt es dann am Ausgang übrigens eine Quizfrage. Da hat also wirklich ein Kulturwandel stattgefunden. Jetzt haben wir ein System von Einheiten, die so abgeleitet werden können, dass man die fundamentalen Standards in einem Labor in der Schweiz ebenso gut wie in China oder an irgendeinem anderen Ort der Welt realisieren kann. Das Experiment kann also im Sinne dieser Standardeinheiten ausgedrückt werden. Und dann ist ein Vergleich möglich, indem man einen Artikel in einer Fachzeitschrift veröffentlicht und irgendjemand diese Fachzeitschrift liest. Sonst müsste man einen Standard von einem Ort zum anderen transportieren. Diese mit der Atomphysik verbundenen Standards sind also der eigentliche Schlüssel zu unserer wissenschaftlichen Gesellschaft in der heutigen Form. Noch vor zwei Jahrhunderten konnte man Wissenschaft betreiben und sich dann die Frage stellen, ob das Ergebnis blau oder gelb sein wird, wenn man das zusammenschüttet. Aber diese Zeiten sind definitiv vorbei. Jetzt versuchen wir dagegen wirklich präzise Zahlen für die Wissenschaft zu erzielen. Im letzten Jahrzehnt gab es eine spannende Sache - das trifft besonders auf die Gruppe von Professor Hänsch und unsere Gruppe zu - nämlich diese optischen Frequenzkämme. Wir arbeiteten also in diesem schönen Gebäude in Boulder. Das Programm lief über einen langen Zeitraum. Ich erwähnte bereits, dass wir den 50. Geburtstag des Lasers gefeiert haben und auch ich selbst beschäftige mich jetzt schon seit 50 Jahren mit der Lasertechnik. In der Zwischenzeit ist ein brillanter junger Kollege herangewachsen, der jetzt das Labor hervorragend führt. Und im Laufe der Zeit hat das amerikanische Volk und haben deren Eltern und Kinder einige Steuern bezahlt und die Agenturen aus dem Boden gestampft, die uns Forschungsmittel zur Verfügung gestellt haben. Etwas, was wir dafür zurückgeben können, ist Wissen. Okay, wir haben darüber hinaus auch noch drei Kinder zum Genpool beigesteuert. Und wir haben sogar Enkel. Aber in diesem Gebäude hier haben wir mit acht experimentell tätigen Mitarbeitern begonnen. Heute haben wir das JILA Institute. Vielleicht haben einige von Ihnen diesen Namen schon einmal gehört. Und in diesen 50 Jahren haben wir hart daran gearbeitet zu verstehen, wie man wirklich kooperativ zusammenarbeitet, damit Forschung besonders wirkungsvoll wird. Ich möchte Ihnen jetzt einen Überblick darüber geben, was bisher geschehen ist. Einige von Ihnen sind mittendrin eingestiegen, einige Ältere unter uns, die heute schon Probleme mit ihren Knien oder Herzen oder sonst was haben, sind hier gestartet und haben die gesamte Entwicklung des Lasers mitverfolgen können. Ich habe übrigens diesem Gaslaser nicht so viel Aufmerksamkeit geschenkt, weil der sechs Tage nach der Geburt des ersten Sohnes von Lindy und mir bekannt gegeben wurde. Ich hatte also damals gerade ganz andere Interessen. Aber hier unten geht es um Pulslaser und hier oben geht es um konstante Laser. Und zunächst schienen sie völlig unterschiedlich zu sein. Wofür wird ein Pulslaser benötigt? Damit lässt sich eine große Hitze erzeugen. Man kann beispielsweise Rasierklingen damit verbrennen und ein Karriereziel könnte das Durchbrennen von 137 Rasierklingen sein. Das ist aber nicht nach meinem Geschmack. Ich würde mich eher mit dieser Region hier beschäftigen, wo es Frequenzen zu messen gibt, den Stabilisator, über den ich gerade erzählt habe. Im letzten Jahrzehnt war der interessante Ort genau hier. Übrigens hatte die Zahl dieser frequenzstabilisierten Laser bis 1997 tatsächlich deutlich zugenommen. Dies ist die Wellenlängenachse oder hier oben die Frequenz- oder Terahertz-Achse. Viele verschiedene Systeme, das ist noch lange nicht alles. Das sind nur die, deren Wellenlängen exakt gemessen wurden. Die Fachliteratur beinhaltet einige bedeutende Dinge, die relativ unbemerkt geblieben sind. Das Hänsch-Papier von 1978, das Chebotyef-Papier aus derselben Zeit und dann ein Artikel kurz vor Beginn des neuen Jahrtausends, der ein bisschen umfangreicher war. Darin wurde diese absurde Idee vorgeschlagen, dass man etwas frequenzscharf messen kann, wenn es zeitscharf ist. Und aus Ihrer Ausbildung wissen Sie wahrscheinlich genauso gut wie ich, dass das Konjugatparameter sind. Hat man Frequenzschärfe, kann es keine Zeitschärfe geben. Aber das hängt einfach damit zusammen, weil wir nicht lange genug nachgedacht haben. Denn wenn es viele scharfe Impulse im Zeitbereich gibt, ist darin eine Uhr enthalten. Es ist die Wiederholungsfrequenz, also die Frage, wie viele Radianten der optischen Frequenz in diesen Zeitintervallen vergehen. Und das zeigt sich dann in Form der Abstände des Frequenzkamms. Jeder Abstand ist hier so zeitlich so eng, dass seine Fourier-Domäne Frequenzen beinhaltet, die hier deutlich im optischen Bereich liegen. Das ist also die Lösung für dieses kleine intellektuelle Rätsel. Die Griechen liebten das Konzept der Atome. Die Menschen in Kolumbien um Rabi mochten das Konzept der Atome. Ich habe eine Vorliebe für Atome mit optischer Absorption. Um diese Atomarten mit einfacher Spektroskopie optisch kühlen zu können ... Nun, es ist wirklich ein bisschen komplex, weil Elektronen einen Spin von 1/2 haben und dieses also Dubletten sind. In der zweiten Gruppe gibt es eine weitere Kategorie von Atomen, die ich wirklich mag. Wie bei jeder guten Idee in dieser Welt wurde auch diese von vielen verschiedenen Gruppen zeitgleich vorgestellt. Das Konzept besteht ursprünglich in einem starken Übergang hier. Hier geht es um ein System, bei dem zwei Elektronen miteinander verbunden sind und einen Spin von 1/2 + 1/2 gleich 0 ergeben. Das weist also eine einfache Energiestruktur auf, starke Übergänge, und das heißt, dass optische Kräfte solche Atome verlangsamen können. Aber um meine Uhren daraus bauen zu können, träumte ich davon, einen magnetischen Übergang zu verwenden, der im Millisekunden-Zeitbereich arbeitet und 60 Hertz oder 100 Hertz oder Kilohertz oder etwas Vergleichbarem dieser Größenordnung entspricht. Die jüngeren Kollegen schlugen noch eine wesentlich intelligentere Lösung vor, nämlich die Nutzung der Tatsache, dass sich die Kernspins in einem Dreiersystem auf S=1 summieren. Und so erhalten wir diese Niveaus und dieses J=0. Sie wissen sicherlich aus Versuchen mit der Clebsch-Gordan-Algebra, dass es dafür kein Matrix-Element gibt. Und das gilt mit sehr hoher Präzision. Die einzige Möglichkeit, einen Übergang wie diesen hier zu erhalten, ist eine Art Störimpuls. Ein hyperfeiner Störimpuls ergibt beispielsweise 100 Sekunden. Nun, 100 Sekunden, mal sehen, wie viel Zyklen bei einer Frequenz von 5*10^14 verstreichen. Wow, das ergibt jede Menge Zyklen. Wir müssen das dann nur ein bisschen aufteilen und erhalten tatsächlich eine einigermaßen gute Genauigkeit. Ich möchte kurz skizzieren, was in dieser "Kamm-Zeit" passiert ist. Viele verschiedene Ideen kamen zusammen und was tatsächlich passierte, war ... Was ich hiermit eigentlich demonstrieren möchte, ist die Tatsache, dass ich gerne Neues lerne. Ich hörte einen Vortrag über eine wunderbare Faser. Und das machte es dann möglich, die Idee weiterzuverfolgen, die Professor Hänsch veröffentlicht hatte. Im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der Hänsch-Gruppe und unserer Gruppe gelang es uns dann, dieses System zu entwickeln, also die Optik- und die Radiofrequenzbereiche miteinander zu verbinden. Das war Anfang 2000. Bis 2001 gab es bereits 20 Aufsatzveröffentlichungen aus den Standardlabors. Und vier oder fünf Jahre später wurde dafür ein Nobelpreis verliehen. Also auch andere Menschen waren von der Bedeutung überzeugt. Für mich war das auf jeden Fall eine wichtige Angelegenheit, weil ich all die Jahre davor mein berufliches Engagement mit dem Versuch verbracht hatte zu lernen, wie man Frequenz messen kann. Und dazu waren in der Spitze 15 Mitarbeiter nötig. Und jetzt hatte man etwas gefunden, das man einfach einstöpseln kann. Und dann geht man einen Kaffee trinken und wenn man zurückkommt, hat man die Frequenz. Das hängt mit der Magie dieser Faser zusammen. Der Außendurchmesser ist der gleiche wie bei den Fasern, über die Dr. Wüthrich berichtet hat. Wir sprechen da grob über die oberen 100 Mikrometer. Innerhalb dieser Faser befindet sich ein fester Kern mit einigen Luftblasen drum herum. Das war also wirklich ein solider Stab mit Luftröhren drum herum. Dann kam noch ein Gehäuse außen herum und das Ganze ist dann so groß wie das hier. Und dann gibt man das diesen Leuten mit dem Kohlendioxid-Laser und sie erhitzen und dehnen das. Und zurück erhält man eine Spule mit 20 Kilometern Fasern. Diese Masse wird also auf diese Länge gedehnt. Das hier wird also immer kleiner und das sind dann nur noch 1,8 Mikrometer im Durchmesser. Wenn man dort einen starken Laser einführt, wirbelt der die Atome wirklich durcheinander, weil das elektrische Feld einem Drittel des elektrischen Feldes entspricht, das Atome und Moleküle zusammenhält. Und an der Spitze erscheint ein rotes Licht und Sie sehen, dass hier diese farbigen Elemente entstehen. Die Lichtgeschwindigkeit ist eine hohe Zahl, sodass das fast alles gleichzeitig erleuchtet wird. Und dann stieß ich im Zusammenhang mit einem Quantenelektronik-Treffen auf einen in letzter Minute eingereichten Artikel und entdeckte das hier. Ich wusste, dass dies 100 Millionen Mal pro Sekunde pulsiert, weil der Laser so oft pulsiert. Aber all diese Farben waren gleichzeitig vorhanden. Das musste also wirklich eine Art optischer Kamm sein, der da seinen Anfang nahm. Charakteristisch für diesen optischen Kamm ist, dass er im Zeitbereich wie Impulse aussieht. Dann haben wir aber den Zeitbereich vergrößert und Unterbrechungen in der Achse erhalten. In den Impulsen werden also die vorhandenen optischen Fluktuationen sichtbar. Das sind einige interessante Details im optischen Bereich, wenn man Frequenzen misst. Sie haben sich schön verteilt. Es gibt eine selbstsichernde Methode, die von ungefähr 14 Menschen entwickelt und auch in diesem Fall zeitgleich veröffentlicht wurde. Hier ist also diese Faser. Das integrierte Spektrum, das wir über den Ti-Saphir-Laser einbrachten, wird hierdurch verbreitert. Es kann jetzt also eine Bandbreite von einer Oktave bilden, Faktor 2 der Bandbreite. Es handelt sich also sozusagen um eine magische Regenbogenfaser. Und wenn man dann all den Zauber beiseitelässt und danach schaut, was sich in der Hardware befindet, sieht man, was diese ganzen Laser ersetzt hat. Es ist einfach eine Möglichkeit, eine einzige Laserfarbe in eine Million Laserfarben umzuwandeln. Das ist der Beginn dieser totalen Revolution in der Durchführung der optischen Frequenzspektroskopie. Ich werde jetzt etwas schneller werden und zusammenfassen, was passiert ist. Eine unabhängige Gruppe nahm diese Pulslaser als Ausgangspunkt und wollte eine Beschleunigung der Pulsung erreichen. Deshalb begann man mit Femtosekundenlasern zu experimentieren. Sie erzielten schmale Impulse und konnten das immer stärker beschleunigen. Und schließlich waren sie bei ungefähr 100 Megahertz angelangt. Die Forscher in Boulder, in Novosibirsk und an anderen Orten versuchten dann, die Laser zu stabilisieren. Schließlich kann man über die Phase dieser optischen Frequenz und sogar über eine Milliradianphase davon reden. Und eine andere Gruppe interessierte sich für die Aufgliederung aller Arten von linearen Annäherungen. Die Größenordnung der Nichtlinearität liegt bei einer Million. Das ist also keine geringe Signalerweiterung. Diese drei oder vier Ansätze führten dann gemeinsam, 39 Jahre nach Erfindung von Lasern, zu einem neuartigen Konzept, nämlich diesem optischen Kamm. Und der wurde dann in Kooperation zwischen den Teams von Garching und Boulder entwickelt. Dann passierte es, dass diese Grenze, an der darüber kontinuierliche Laser und darunter Pulslaser erscheinen, hier unscharf zu werden beginnt und schließlich vollständig verschwindet. Bei einem optischen Kamm kann man also entscheiden: "Okay, ich spreche also über dieses Phänomen als diese Femtosekunden-Laserimpulse im Zeitbereich mit dieser Frequenz." Oder man könnte sich dem auch mit einem Messgerät annähern und sagen: welche Kammlinien vorliegen. Und dann kommt man zu dem Schluss, dass es vielleicht um die Größenordnung von 1 Million Laser mit einer Linienbreite im Sub-Hertz-Bereich geht. Diese konzeptionell gedachte Grenze zwischen Impuls und CW ist also vollständig verschwunden. Ich möchte noch etwas erwähnen, das auf der Hand liegt, nachdem man es gesehen hat. Aber man sollte es im Hinterkopf behalten. Worüber wir hier gesprochen haben, ist der Kamm, der in der Frequenz steckt. Worüber ich Ihnen berichtet habe, ist die Quelle der Impulse im Zeitbereich. Hier sind einige der Wellenformen zu sehen, die sich addieren. Hier sind fünf solcher Wellenformen. Und wenn ich das so neu dimensioniere, dass etwas zusätzlicher Platz entsteht, wo die Formen alle phasengleich sind, ist das größer. Wenn ich also tatsächlich N dieser Wellen habe, erhöht sich die Amplitude um N und die Leistung auf N^2. Und weil N ungefähr 1 Million Wellen entspricht, die kohärent addiert werden, beginnt N^2 zu einer interessanten Angelegenheit zu werden. Und so funktioniert der Schritt von einer geringen Leistung, die sich nicht sehr von der unterscheidet, die dieser Pointer hier zu bieten hat, hin zu einer Art von Energie, die Atome zerfetzen kann. Okay, wenn man eine etwas geringere Energie als diese hat, bringt das die Atome dermaßen in Bewegung, dass sie diese enorme Nichtlinearität erzeugen. Im Gegenzug erhält man dafür allerdings ein kurzes Tastverhältnis. Man hat also eine Leistung von N^2, aber nur für 1 N-tel. Je mehr Frequenzen man addiert, umso schmaler wird das Ganze. Es ist also doch nur die durchschnittliche Leistung, die N-mal größer ist als die Komponentenleistung. Das war zu erwarten. Wenn wir das hier vergrößern, sehen wir diesen grünen Pointer - dieser hier ist möglicherweise nicht ganz frequenzstabil, aber im Labor habe ich einen, der tatsächlich stabil ist. Man kann über seine Frequenz reden und seine Frequenz eine Sekunde im Voraus ermitteln. Und sie hat eine sehr kurze Zeitskala. Es sind 15 Dezimalstellen und zwei Femtosekunden pro Zyklus. Aber wenn wir uns eine andere Zeitskala anschauen, ist dieses grüne Licht, dessen Schwingungen Sie hier sehen können, manchmal plus und manchmal minus. Im Wesentlichen bewegt sich das hier auf dieser unteren Skala. Es ist immer aktiv. So sieht das also aus. Und man sieht nicht, dass das ein oszillierendes Signal ist. Aber im Labor haben wir Instrumente mit diesem schnelleren Teleskop, sodass wir beobachten konnten, dass der Laser Impulse mit einer Trennung von beispielsweise einer Nanosekunde abgibt. Versuchen wir jetzt einmal, diese hier zu vergleichen. Ich habe Ihnen gesagt, dass es mit dieser Faser möglich ist, für diesen 1 Nanosekunde langen Impuls eine über den optischen Frequenzbereich hinausgehende Energie zu erreichen. Das sieht also ungefähr so aus. Das ist gechirpt, weil das Feld tatsächlich so stark ist, dass der Brechungsindex vom Feld abhängt. Die Komponentenfarben erscheinen also, als ob sie völlig unscharf wären. Aber das ist bei allen Strahlen vollkommen gleich. Es gibt also eine gewisse Phasenbeziehung zwischen diesem und einem anderen und man sieht hier, dass die Hüllkurve und diese Trägerschwingungen ... Ich glaube, wir haben hier ein kleines Problem mit diesem Pointer ... aber auf jeden Fall, dass sie übereinstimmen und man kann daraus schlussfolgern, dass eine Synchronisierung vorliegt. Die optische Frequenz wird also mit diesen Impulsen synchronisiert, sodass man jedes Mal die gleiche Form erhält. Ich weiß also, dass es eine harmonische Beziehung zwischen ihnen gibt. Das ist wirklich erstaunlich, weil man - mit Ausnahme der frühen Zahlen - mit null Wissen beginnt. Und dann findet man heraus, dass da eine Energiebeziehung besteht. Dann verändere ich die Wiederholungsrate um ein Millionstel und die Ganzzahl um 1 und dann kann ich das erfassen. Wenn man das ungefähr dreimal wiederholt, kennt man die Oberschwingung. Es ist eine Million und am Ende 03 und dann ändert sich das auf 04 oder 02. Das ist also eindeutig. Und das ist wirklich ... magisch ist vielleicht ein zu starkes Wort, aber das ist ein wirklich wunderbares Instrument. Also, ich wiederhole das, damit Sie hier mit der richtigen Vorstellung weggehen. Wenn man repetierende Impulsfolgen hat, erhält man einen Kamm im Zeitbereich und einen Kamm im Raumbereich. Und die Frequenzbreite einer Kammlinie, wenn man mit Impulsen beginnt. Das hängt davon ab, wie lang man sie misst. Und wenn man das im Konjugatbereich messen will, hängt die Bandbreite im Zeitbereich von der Bandbreite derjenigen ab, die man insgesamt kohärent erhalten hat. Das ist also wirklich eine Verbesserung unseres Verständnisses. Und mir wurde zu einer Zeit etwas über die Fourier-Sachen erzählt, als die Idee von der Verwendung vieler Impulse noch gar nicht verbreitet war und wir diesen Herren einen Sprung nach vorne schuldig waren. Ich habe Ihnen also etwas von einem Instrument erzählt. Es ist genauso gut wie das hier. Es ist mit einer Art von Getriebe ausgestattet, das Mikrowellen und Optik miteinander verbindet. Es gibt kein ... Möglicherweise gibt es darin leichte Störungen, aber keine Schlupfimpulse. Es besteht also eine positive Querempfindlichkeit. Das hat wirklich für eine fantastisch gute Zeit gesorgt. Wir hatten viel Spaß bei der Forschung in München. Ein Außenlabor, wie Sie hier sehen. Einiges an Papier, das der Diskussion wert ist oder wo man Primärliteratur findet. Und zum Schluss möchte ich Ihnen noch einige Dinge über einen alten Menschen und seine Karriere erzählen. Natürlich geht es um meine Laufbahn und die geht zu Ende. Jun Ye kam an Bord. Und in den zehn Jahren, in denen er jetzt dort tätig ist, sind all die Dinge möglich geworden, für die man diesen Frequenzkamm verwenden kann. Zum Teil ist das darauf zurückzuführen, dass er wirklich ein intelligenter Kerl ist. Zum Teil aber auch darauf, dass es wirklich eine explosionsartige Entwicklung gegeben hat. Wer hätte geglaubt, dass die Wachstumsrate 50 Jahren nach Erfindung des Lasers gestiegen ist. Es gibt so viele fantastische Möglichkeiten. Verkaufen Sie also Ihre Aktien bloß nicht, sie werden sich positiv entwickeln. Hier ist noch etwas Interessantes. Wie macht man den Laser stabil? Der Grund für die Instabilität war die veränderte Mechanik. Aber wenn man das in der Mitte befestigt und vertikal fixiert, wird ein Teil durch die Schwerkraft zusammengedrückt und ein Teil durch die Schwerkraft gedehnt, sodass die Schwerkraft mehr oder weniger aufgehoben wird. Und schließlich sieht man schmale Linien. Und um nachzuweisen, dass sie schmal sind, kann man sie von unserem Labor an der Uni zu den NIST-Labors schicken. Wir haben zwei verschiedene Farben, müssen also Kämme verwenden, um sie vergleichen zu können. Aber dann erhält man einen Hertz-Schlag und es funktioniert überhaupt nicht. Wen kümmert das? Nun, die Menschen, die Beschleuniger bauen, kümmert das, Menschen, die all diese Klystrone synchronisieren müssen, kümmert das. Menschen, die versuchen, Millimeterwellen-Teleskope in Chile zu bauen, kümmert das. Es ist beeindruckend, wie schnell sie diese Technik aufnehmen. Entsprechende Anfragen kamen ganz schnell auf mich zu. Und auch dieses 20-köpfige Team, das sich für supergenaue Uhren interessiert, kümmert das ebenfalls. Man kann ein 10^-7 Frequenzwissen in einer Sekunde übertragen. Das ist einfach erstaunlich. Dann möchte man Atome mit einer höheren Auflösung untersuchen. Also die ideale Falle für das Atom, das ich Ihnen zeigte. Es wird Interaktionen bis zu dieser und dieser Ebene geben. Und das Katori und Kimble zu verdankende Wunder ist, dass es eine Farbe geben könnte, bei der die Interaktionen gleich sind. Ich möchte diese Stark-Interaktion zweiter Ordnung explizit ansprechen. Nun, wie Sie bereits bemerkt haben werden, versuche ich hier, einen üblicherweise einstündigen Vortrag in aller Kürze zu absolvieren. Mit diesem Kamm ist ein einfaches Scannen möglich. Da geht es nicht um Mittelwertbildung, sondern darum, eine Frequenz in diesen Wert umzuwandeln, und das wird in Hertz angegeben, 1 Hertz pro 1 Box. Man ändert also die optische Frequenz um ein halbes Hertz und misst die Übergangswahrscheinlichkeit. Man ändert dann die optische Frequenz um ein weiteres halbes Hertz und misst das Ergebnis... ja, das ist es. Ich bin hier nicht die Person, die die Ergebnisse zu verkünden hat. Aber wenn Sie die Literatur weiterverfolgen, finden Sie spektakuläre Fortschritte aus der Gruppe um Jun. Ich habe noch eine weitere Minute, okay. Interessant im Zusammenhang mit Molekülen und alten Menschen ist die Tatsache, dass für sie beide ein gewisses Maß an Diagnostik wünschenswert ist. Hier sehen Sie einen Studenten, der ganz grün im Gesicht ist. Vielleicht hat er ein Alkoholproblem oder etwas Ähnliches. Aber Sie sehen das Spektrum dessen, was in ihm ist. Sie sehen, dass der Körper versucht, diese unterschiedlichen Isotope loszuwerden. Sie sehen, dass es kulturell schwierig ist, diese multidisziplinäre Forschung finanziert zu bekommen. Das sind also eine Menge Dinge, über die ich berichten könnte, wenn noch mehr Zeit wäre. Man kann ein gutes Instrument bauen. Ich möchte zum Schluss die Chance nutzen, um auf die Menschen hinzuweisen, die diese Arbeit möglich gemacht haben. Wie kann ich über die Menschen reden, die dies möglich gemacht haben? Auch das ist wieder eine multikulturelle Angelegenheit. Sie sehen einige asiatische Gesichter und auch junge Gesichter. Das macht wirklich viel Spaß. Und hier sehen Sie einige der jungen Gesichter in der Schule. Lindy und ich bringen diesen Kindern etwas Freude. Sie stammen aus Familien, wo die Vorstellung von spielenden Kindern ... Diese Mädchen waren wirklich total fasziniert von diesem komplizierten Getriebesystem. Dreht es sich links oder rechts herum? Und da gibt es Bücher für Eltern. Sie erleben wirklich eine fantastische Zeit. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und hier sind noch einige Quellenhinweise.

John Hall (2012)

Five Decades of Lasers, Six Decades of Progress, and a Proposed Space Experiment to Test Einstein’s Assumptions

John Hall (2012)

Five Decades of Lasers, Six Decades of Progress, and a Proposed Space Experiment to Test Einstein’s Assumptions

Abstract

Five Decades of Lasers, Six Decades of Progress, and a Proposed Space Experiment to Test Einstein’s Assumptions

Abstract: Even though this is the 51st year of the Laser, progress in its control and application in precision measurements is still accelerating. The Optical Frequency Comb technology exploded in 1999-2000 from the synthesis of advances in independent fields of Laser Stabilization, UltraFast Lasers, and NonLinear Optical Fibers, enabling a thousand-fold advance in optical frequency measurement, and searches (in the 16th digit) for time-variation of physical "constants". The Comb technology enables sensitive testing of human breath for marker bio-molecules and analyzing light from remote stars for possible earth-scale planets. Current advances in ultra-precise locking are making possible stable optical frequencies defined by length and the speed of light, as well as by locking lasers to the resonant frequency of atoms. These two “clocks” represent our current prototypes of the clocks postulated by Einstein in 1905 in formulating the theory of Special Relativity, which can now be tested into the 18th decimal in a proposed Space-based experiment now being planned by our Space-Time Asymmetry Research collaboration (STAR).

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