John L. Hall (2015) - What About Redefining Time Using a Stable Laser?

Several laser-based Atomic Clocks now have an accuracy potential of ~2 x10-18, a hundred-fold better than the best achieved after more than 60 years’ experience with rf resonances in Cs atoms. Still, this long attention span documents that the Cs Fountain Atomic Clock has certainly been mankind’s best measurement reference

So the topic for today is... in a moment will appear. I'm interested in issues about precision and sometimes these tools that we have, let us have a little bit sharper view, microscopes with good resolution. You've heard what amazing things show up when you have twice more resolution or something. And some dimensions are... Aha! It's working I... It might last that long. We'll do an experiment. So the issue is a collective kind of issue, but some places are special. Here's a place where Nobel is not respected. You can get it simply by making a purchase and that's in a university town that's not far from Boulder. So another topic is that one encounters people who deserve the absolute entire respect. Charles Townes, as you know, we lost earlier this year. He was just months from the 100 mark. So, I'm not trying to say that I'm a famous pal of Charlie Townes, but, in fact, I had a modest start, at high school being slightly frightened of girls, and not very social. So that continues. So, the subject which I like is Metrology. It's just fascinating to see how well can you measure something. And not everything is worth measuring exactly perfectly. For example, a piece made out of wood will change its dimensions with humidity. But things that are made, and thoughtfully made, can really teach one a lot. So we've had these ideas about measuring length, that was a good enterprise and we have a possibility and definition of length from the people in Crete, all the way to the contribution my community made of effectively defining away one of the parameters that people thought were necessary. And now, one plays in frequency. As you probably know, the choice of making measurements by frequency is the right choice. It gives you the highest possible resolution. So, in fact, the resolution is now in this 18th place. So 18th place, Steve Chu already mentioned what that means. The time from the beginning of the universe to now divided into 10 to the 18th parts gives you a second or a half a second. So, what can it depend on. Well, I used to work, before I retired for this National Institute of Standards and Technology. And at that time of the slide there were still seven fundamental units. These were made by wise men in 1875. Every person at that time thought they understood the universe. And they thought that there were seven fundamental parameters that would be enough for metric, uh Metrology, of everything which people could do. Well, my own group, among other equivalent guys in different labs have been working. This kind of picture I'll use several times. Typically going on this axis is the time and here is the imprecision. So down is good on this axis and you see from the first introduction of the atomic clock in 1950, it was developed and finally chosen as a standard in 1967 and the improvements over time. Laser cooling from Steve Chu and Bill Philips and others came in in this 1995 epoch and made a huge impact especially on us optics guys, that could see with these higher frequencies. Higher by a tenth, a hundred thousandth as a factor. Then there are more clicks in the second and so we have the chance to get the resolution corresponding to that if we can only learn to do the technology better. So that's hard. Takes a long time and we didn't have a very good learning curve at first. But then the integration of laser cooling. So that brought us then into this place, and with trapped single ion that can't vibrate or move around. And strontium atoms, one of my favourites, and at this point we are in this 17th digit. So, it's really a good one to study. So, the kind of questions that one can get at with this and there's all kind of practical issues and each, probably nearly every person here has one of the uses for atomic clocks just in a pocket which is to find out where you are with the aid of the GPS. But there are lots of other things. For example, this issue about laser line width. Charles Townes' theory said that the line width could be millihertz or so, and the frequency is about 10^15. So that's 18 digits. That really seems like it's nice. And now one realizes that the line width actually can be absolutely less. The issue about whether the fundamental constants are stable that really comes into my brain when we hear this business about negative pressures, dark energy and though gonna be, I don't know what the time is, but 10 years , 20 years, you guys are gonna be in for a really treat because one is either gonna find out that oh the fundamental constants changed over time or that space is not the way that we think it is or whatsoever. So, it's going to be a good story. It is a good story now. It's, we're in the same kind of place as this young lady who had first encountered neodymium magnets. And we know this technology is marvellous and we really have some fun. This young lady who sensed that there's some kind of conservation principle. You'll see she has the first non simple mode where two active particles crash against this. My wife's dream is to get all kids interested in science. These little joyous young people have been part of our travels. So, 1875 treated in meter, there's no good idea for what mass is, except that we'll hear later in this session how people currently think. At that time the definition of meter was some fraction of the distance around the earth, goes through the pole and it goes through Paris. Those are the two places that you could pretty easily guess. But we need a representative in the lab, and so here is one of these meter bars. Each country got two and that was a really, a wonderful thing. When I joined the National Bureau Standard measuring the scratches on this that were the end point of the meter was something that was still a research topic. At the same year, this business about lasers... Here's a Doppler width. Here is the width of a saturated absorption resonance which is really strong and really narrow. You don't need to be a genius to realize that we could better by some factor here which is 300 or 500 just on the very first day. We'd like to measure the frequency of that. Here's National Bureau Standards' team heading to measure the last measurement of the speed of light in 1972. So that led to the possibility to redefine the meter. In 1960 it was defined to be incoherent light from a krypton discharge. So that shows that these communities don't always know about the other progress. Then it was redefined in 1983. I don't think we need to give a quiz anymore because you all know this number by heart. It's surely as important as the telephone number. Then, Ted Hänsch has an idea, maybe a hundred years after Mr. Fourier same time as Chebotayev, and that was if you had an array of equally spaced frequency that would really be a lovely measuring thing. It's kind of like a meter stick with all these scratches you could line up the frequencies and make the comparison. So that was a very good idea and some combination of competition and cooperation between München and Boulder lead to absolute glorious success on this. So the frequency standards are getting better, applying new technologies and ease of making measurements. So this community going down, that's the cesium clock and around in here someplace the idea of having cold atoms that are coming up and then making a shower fountain down. Exciting by radio frequency that lets you have this clock working well. But it is very hard to get long enough interaction time because a second is a meter scale, right. So, and in a second you only have 10^10 oscillations. So now we're in the 18th digit so how are you going to get eight digits out of this? That just doesn't seem possible. However, if you start with an optical frequency again, which is something times 10^14, it's pretty easy to make some progress. And what you can see is some points that are marked in green here. There's going to be a problem because these new technologies are going to produce frequencies that you can't state in hertz or in metric units because the standard is not as good. These new technologies are based on either having a trapped ion on the laser interrogation or my favourite is to use multiple laser beams to have overlapping grids of standing waves. As Steve explained, the atoms like to go where the wave is the brightest. And a very clever invention of Katori in Japan was that you could have a trap that didn't hurt the optical transition you wanted to use if the shift due to the light, that's what, that's gonna make a force, it shifts the energy levels. And if it was the same on the ground state and on the excited state that you wanted to use then the difference that is the optical clock wouldn't be hurt. So that seemed like a really grand idea and a lot of energy is gone into it. I'd like to just say, where are we now? Well for 60 years cesium has been the best thing and it served extremely well as the international reference. That's the best reference that mankind has to make any kind of measurements. Only that exceed that is simply enumerating the numbers. With clever work that business improved by six orders of magnitude in 60 years to 16 digits where the brick wall is and it ain't going any more. However, in 2008, with these new optical methods, three clocks became more potentially accurate than time itself. And that's clearly something that a person might want to explore. It seems like there's new opportunities there. It falls into the category of searching where somebody else isn't. And in trapped ions there's already some candidates, lots of candidates and neutral atoms. And so then, you don't need even one beer to get to the place of saying: Do all these clocks really keep time at the same rate? Let's turn the crank on the universe, go forward another year and see how that is. So, the name of that topic is Cosmology. We're doing Cosmology experiments in the lab. Low cost thing that the people of Germany do in Braunschweig in the PTB, people in the United States do in Boulder, National Bureau Standards, now called NIST. It's really cool stuff. So here's an experiment by one of my students that I thought was outstandingly nice. He's got mercury ions and mercury is interesting because it has so much charge, sucks the inner electrons really in. They have huge speed. Huge speed for a charge means huge magnetic field. So this fine structure splitting is actually half of the optical energy for mercury. In the case of aluminium, has different colours, it's not the same fraction, in fact is a very weak fraction, only something in a percent. So by using the comb to measure these two frequencies you have the possibility for a really interesting comparison. So if you measure the frequencies, so the ratio of frequencies of aluminium and hydrogen, uh mercury, on this axis, and we're in the 10th to the minus 16, and you see it goes from four to five 10 the minus 16 and this is a year or more on the horizontal axis here. And sensibly one would say that we probably should put a straight line through that because if you say, with a sloping line on that, that the fundamental constants are changing, you're going to get a lot of newspaper people coming to your door and a lot of scientist asking you, well that's really not quite enough data to support that. However, if you notice the dates, 2007, do you think these people are resting? Possibly it's running now. So, it's not up to me to say how this curve looks now, but it might be interesting. One way to discuss this, this is frequency ratios, so that then I told you was an analogue of this fine structure constants. This famous one over 137.059999 and some more digits measured by Gerald Gabrielse most precisely recently. In the other axis is magnetism. So what you can see on this curve is that there is one place where all the different experiments settle in on. And so, so is the fine structure constantly changing? Well, if it's changing, the change would have been less than a part in three million across the age of the universe. So if you're betting, I'm gonna say probably one to pick this physical constant doesn't change. But what about in the next digit? So that's left for exercise for you young people to see how it's going to turn out. One thing which is unbelievable is that you can create a new case by transmitting information. We heard a talk about entanglement already. And the group in Innsbruck have recreated atoms in states which were the states at a different place in different atoms and the propagation is by information. Another thing which is a little bit surprising initially is that if you put your two clocks on two tables then you go to the rental store and get a jack and you turn the handle, lift the table up, lift the table up 35 centimetres and what happens? The frequency changes. Well no that's not quite what was anticipated by our friends in Paris is 1875. They thought that the constants were universal and that we would be able to do Metrology across the world. And then 100 years ago there was this total revolution that was introduced by Einstein and now we understand that there's an issue about hidden in our discussion, is something about the framework we're in, but it would be very ugly if just changing the framework would happen. So what we believe, I think, is that, if that you stay within one gravitational frame, you won't get any surprises. But if you happen to use a better clock in which this easy resolution you've got a new frequency now only corresponds to two centimetres and the latest clock, which Jun Ye's group is playing with. In fact, here is a picture that summarizes what their work is. So now you see we're at one second, one is talking about something times 10^-16. And it goes down and this measurement shows that there's nothing funny going on. There's a nice paper that's just come out during this year. In fact, most of the noise that's in this comes from the oscillator that you try to find out what the frequency is. That you can't measure much better than the instability of that oscillator. And that's fixed by the thermal motion of the atoms that are in the coatings on this. So now there's progress in that because every time you can understand what the problem is you have a chance to make it better. So now people make the coatings out of a crystalline material and the thermal fluctuations in the low loss crystalline material are less. So, I come back to this evolution of clocks. We go down the cesium highway here and it's getting better. We're zooming down this highway and, in fact, here is the latest evaluation of the strontium at minus 18 in the year 2000. Again, as I said, the work of Jun Ye. There's no better joy in life, I think, than for an old professor to find the right guy to replace him. So that is the case here. Jun Ye is doing stuff better and quicker than me. In the future, it's obvious that a new standard is needed, but the real question is when. Well, one criterion is that, if we're going to change the standard that everything depends on this better not be having any mistakes on it. So progress should have slowed down and we should have had lots of systems that have been evaluated and checked which is the best one. And the part which I come to now, which will be the fun for your guys, if you choose to play in this game, is about remote comparisons because that's how we do science. You do the measurement in one place and you want the same result as the measurements in another one. Well, I'm sorry to tell you, but that is not gonna be possible. Take a look at this. If we had a sun and if we had an earth and there was 93 million miles, I apologize for those units, but there's a little bit of wobble you know that we're not in an exactly circular orbit. So the general relativistic red shift is modulated yearly by 1.6 parts in 10^18. So actually we could see it except we don't know the reference because everything is moving. However, if we look in this case that we've got a lab that's in the bright sunshine and in the noon and another lab that's in the slight off set between these, at midnight there's a significant gravitational shift between those. In fact, it amounts to a 180 hertz and, as I mentioned, the measuring precision is millihertz now. So here's a chance to check general relativity just perfectly. If we check everything in our own lab, the GR framework is the same. We have gravity and okay we can take account of the slow gradient part, 10^17 meter, but wouldn't it be absolutely stunning if we had a way to go from one, from the midnight to the noon labs and compare because then we could really look at this issue about universal time. Well, there ain't no universal time. There's only frame dependent times. And this is what has happened to the concept of time. In us it's quite clear everything is serially ordered and that's a good indexer, but if you want to get it exactly right you have to pay attention and gravity is now part of it. Well how do we compare times and frequencies? We have this GPS system that works extremely well and it will let you enjoy something into 10^-14 for one day. It would be better if you used a satellite that you pay for and then you have the fastest lengths and it turns out in that you have to cut down a factor 350 between the one measurement and where you need to get to. It takes a year to do that. So there is one other way, and I am advertising for this as a, I hope that we still have some of those industrial people because this is in their domain as a possibility. We've learned how to send a light in a fibre. Of course the light comes out, but the fibre jiggles and that changes the phase and so, in order to have a success, you have to send it to the other end, have then mark it someway, comes back to you. You can see this is what I sent. This is what I got back. So half of that is how much noise there is going that way. So we put up a little paper in 1994 that shows how to do that. Divide the phase by half, by two and then you can just... Go ahead and now this is used in lots of interesting places. The radio telescope array in Chile is all synced up with this femtosecond comb. And, of course, the tiny community, there's not very many people, but they really care intensely about clock comparisons, atomic frequencies. If you want to build a bigger accelerator or even one that's not very far away from here, you have to get it synchronized and there's nothing more powerful than doing that with light. So, the numbers are that you can do 10^-17 at a second or something and transfer millihertz for the line width. Well this idea, of course, resonates everyplace and here's the dreams that some French colleagues have put up about how Europe could get organized to go from Braunschweig in the north and then the University of Innsbruck, and of course in their plan in Paris will be some kind of hub for that. In fact, it's tried out already on a smaller scale. This was a 150 kilometres link. This paper's already multiple years old and the most amazing thing is that they got this delicious result, far better than the GPS limit here at the top. They got this result on a channel of the fibre, a colour that's in the fibre and it's just for their use and the rest of the fibre's bandwidth was being used for commercial traffic. So that sounds like the beginning of a place where we could have an agreement with some companies and so now, you can see what my dream is. Here's where I'd like to end up. I'd like to be with a competitive Strontium clock in 2015, which is this 10^-18 kind of domain, and it's only going to get better. So what do we want? Well, we'd like to have a fibre. They don't talk about how many dark fibres they have. They talk about 60,000 kilometres of lit fibre, but they, of course, turn my light into electrons, but I still wonder if maybe they have a dark fibre that we could use. Here's a different company. They've got a global network and I wonder if these guys have a dark fibre that we could use. So... And here's goobers of fibre. And this, we've just lost in the last couple of years, the person that dreamed this underseas fibre stuff at AT&T. One of Steve Chu's friends. It was totally marvelous when I went to visit Steve because T. D. Lee was there with a whole bunch of his team and they were really excited. Lunch time was discussion time. So surely someplace there is an unused link, actually we need it a little special because every 200 kilometres you need an amplifier. They need to be Raman amplifiers and we need to say what frequency should we use as the Raman offset. So we're gonna use one of their channels to transmit the 11 gigahertz for the reference. It simply could be done if you'd get a catalogue and try to figure it out you'd need about 200 millions to do it, but who wants to take the trouble to do that if it's probably already existing. These guys that are concerned about security, I guess they have dark fibres because they want redundancy, but probably since these are the bankers they don't want us messing around with their fibre network. So, another idea might be to follow these Russian dreamers with this Molniya orbit. It goes out quite a way and it's a 12 hours loop. And if you were at this place the earth looks like this so you can go from Boulder to someplace in Europe just in one shot. But the velocity of this is incredible. It's going to do 30,000 kilometres in six hours. So there's going to be some first order Doppler effects that are hard to get rid of. Remember, we're going to transmit an optical frequency, we're gonna use a Doppler effect on that, and you need to do it so accurately that you are in millihertz. Well that sounds like it's really hard. So, another idea for this would be to do the experiment deliberately that we wanted to do by getting these linked. So that STAR Mission is something which has been talked about since 10 years almost. And the idea is to put two clocks... No, I need to do it here. Two clocks in orbit. One of them is an optical atomic clock and you know, you saw from on the screen, that if you lift up one of the clocks then the gravitational potential's frequency changes. But, now what would happen if you use one of Ted Hänsch's light pulses, then this light pulse is going back and forth and the crystal is laid out. It's got these lattice planes, and it's really stiff, even if you put it in earth gravity and put it on the end it hardly compresses. So, I'm of the option that we need some theoretical help about this because there's no doubt that the general relativity says that length changes, but this is not really length. This is lattice constants that I want to use as my reference. There's no gravity effect on the optical field in satellites inertial space, right? So, I think it would be a really cool thing to do. Here's the suggestion in my domain of expertise is to send a bunch of light beams around in this mirror as multi bounce so I get a longer absorbing time. It's not necessary to talk about all this, but I have now worked out how, for those of you who have tried to work in the lab with phase modulators, you discovered that, in addition to phase modulators, they steer the beam and they amplitude modulate the beam. And I'm here to tell you that there's a good answer for that now. So, I made a theory for how these clocks would work, and the main thing to look at is that in this column, about how much power you'd need, it's something in milliwatts. And how unstable is the frequency in this orange column. Those are in hertz. It's something completely less than one hertz. That means, I solved all the technical problems, but that's what you would get if you dealt with solenoids in an optimal way. So, that actually works. Here's a Doppler absorption peak and the saturate absorption peak. This nice little sharp guy is the same kind of peak as I showed you in the first experimental picture. This is coming together, people in Bob Byers group in Stanford are working on it. So, killing off this residual amplitude modulation, the title of the patent application is RAM-Buster, and figured out a way based on symmetry to do it. It's not little tweaky things, it's automated, and it uses symmetry just to get a zero as the result. So, the claim about that is pretty nice, and what I would like to do is to start on a size scale like my lunchbox. Here are the mirrors ready to be optically contacted onto the cavity. Here's an optical fibre and the microwave fibre and some little self soldered electronics there. I could built that whole clock in this box. No only could. I am building. And so we're gonna see. Another important thing which I would like to insist on for people who are just building experience is to talk to smart people and try your ideas out. Once in 500 times you'll find a physicist or scientist who is a bad guy and goes and runs with your experiment, idea. Most of the time they will help you understand more clearly what the good thing is and so I've had a half a lifetime of joy of interacting with Ted and his... I've never seen Thomas Udem in a shirt that wasn't red, but anyway, that's his choice. So we were doing some research, here's my group from a few years ago. And thank you for paying attention.

Unser Thema heute ist … Gleich sieht man es. Ich interessiere mich für Themen, die mit Präzision zu tun haben und unsere Mittel erlauben uns einen schärferen Blick, wie Mikroskope mit einer guten Auflösung. Sie wissen, was man alles Unglaubliches entdeckt, wenn man eine doppelte Auflösung hat oder so ähnlich. Und manche Dimensionen sind … Aha! Es funktioniert, ich … Es könnte länger dauern. Wir werden ein Experiment durchführen. Es geht um ein allgemeines Thema, das aber einige Besonderheiten aufweist. Ein Bereich, wo Nobel keinen Wert hat. Man erkennt das sehr einfach, wenn man etwas kauft, und zwar in einer Universitätsstadt, nicht weit von Boulder. Bei einem anderen Thema geht es um Menschen, die den absoluten Respekt verdienen. Charles Townes, den wir, wie Sie wissen, dieses Jahr verloren haben. Er war nur wenige Monate von der 100er-Marke entfernt. Also, ich will damit nicht sagen, dass ich ein enger Freund von Charlie Townes war, aber mein Anfang war bescheiden, schüchtern den Mädchen an der High School gegenüber, und ich war ein Einzelgänger. So ging das weiter. Ein Thema, das ich mag, ist Metrologie. Es ist einfach faszinierend zu sehen, wie gut man etwas messen kann. Und nicht alles muss perfekt gemessen werden. Ein Stück Holz wird bspw. seine Dimension bei Feuchtigkeit ändern. Aber die Dinge, die gemacht werden, und zwar gut durchdacht, können einem viel beibringen. So kam uns der Gedanke, Längen zu messen, das war ein gutes Unterfangen, und wir haben eine Möglichkeit und eine Längendefinition von den Menschen aus Kreta bis zu Beiträgen der heutigen Wissenschaft und wir haben uns von einem Parameter getrennt, den wir zuvor als notwendig erachteten. Und jetzt wird die Längendefinition per Frequenzen dargestellt. Wie Sie sicher wissen ist die Wahl, Messungen mit Frequenzen durchzuführen, die richtige Wahl. Sie erhalten dadurch die höchstmögliche Auflösung. In der Tat erfolgt die Auflösung jetzt auf 18 Zehnerpotenzen genau. Die Zeit vom Beginn des Universums zur Gegenwart, unterteilt in 10^18 Teilen, gibt Ihnen eine Sekunde oder eine halbe Sekunde Abweichung. Also, wovon hängt das ab? Ich habe vor meiner Pensionierung für das Nationale Institut der Standards und Technologie gearbeitet. Und zu dieser Zeit gab es noch sieben Grundeinheiten. Die Grundeinheiten hatten wahrhaft weise Köpfe im Jahre 1875 definiert. Alle dachten damals, sie würden das Universum verstehen. Und sie dachten, dass die sieben grundlegenden Parameter ausreichend wären für Metrologie, für alles das, was Menschen kreieren könnten. Nun, meine eigene Gruppe war am Arbeiten daran – so wie auch andere Gruppen in anderen Labors. Ich werde dieses Bild mehrmals verwenden. Normalerweise verläuft auf dieser Achse die Zeit, und hier kommt die Ungenauigkeit. Nach unten ist alles gut auf dieser Achse und Sie sehen, dass sie bei der ersten Einführung der Atomuhr im Jahr 1950 entwickelt wurde und schließlich 1967 als Standard eingerichtet wurde mit den nachfolgenden Verbesserungen. Die Laserkühlung von Steve Chu und Bill Philips und anderen erfolgte in dieser 1995-Epoche und hatte einen großen Einfluss, vor allem auf uns Optik-Leute, die mit diesen höheren Frequenzen sehen konnten. Um ein Zehntel höher, Hunderttausend als Faktor. Dann gibt es noch mehr Klicks pro Sekunde und so können wir die dementsprechende Auflösung erhalten, wenn es uns gelingt, die Technologie zu verbessern. Das ist schwierig. Es dauert lange und wir hatten anfangs keine sehr gute Lernkurve. Aber dann kam die Integration der Laserkühlung. Sie hat uns in diesen Bereich geführt, mit einem einzelnen gefangenen Ion, das sich nicht bewegen oder vibrieren kann. Und Strontium-Atome, eine meiner Favoriten, und an diesem Punkt sind wir bei der 17. Potenz angelangt. Also, das ist wirklich ein gutes Forschungsthema. Es gibt verschieden Fragen die man hiermit beantworten kann, und wahrscheinlich hat fast jeder hier eine Verwendungen für Atomuhren in seiner Tasche um damit herauszufinden, wo Sie sich befinden, mit Hilfe des GPS nämlich. Aber es gibt viele andere Dinge. Zum Beispiel, das Problem der Laserlinienbreite. Charles Townes Theorie besagt, dass die Linienbreite Millihertz oder ähnlich betragen könnte und die Frequenz etwa 10^15. Also das sind 18 Stellen. Das hört sich gut an. Und jetzt erkennt man, dass die Linienbreite tatsächlich geringer sein kann. Die Frage, ob die Naturkonstanten stabil sind, durchkreuzt meine Gedanken, wenn wir von negativem Druck, dunkler Energie hören, und in 10 oder 20 Jahren werdet ihr hellauf begeistert sein, denn man wird entweder rausfinden, dass sich die Naturkonstanten im Laufe der Zeit verändert haben oder dass Raum nicht dem entspricht, was wir dachten. Es wird also eine interessante Sache sein. Es ist bereits eine interessante Sache. Wir sind an ähnlichen Orten wie diese junge Dame, die zum ersten Mal auf Neodym-Magneten gestoßen ist. Und wir wissen, wie wunderbar diese Technologie ist, dass sie wirklich Spaß macht. Diese junge Dame, die spürt, dass es irgendeine Art von Erhaltungssatz gibt. Sie werden sehen, sie besitzt den ersten, komplexen Modus, bei dem zwei aktive Teilchen aufeinanderprallen. Der Traum meiner Frau ist es, dass sich alle Kinder für die Wissenschaft begeistern. Diese kleinen fröhlichen jungen Menschen sind Teil unserer Reise. wie die Menschen damals denken. Damals war die Definition von Meter eine bestimmte Distanzeinheit, um die Erde herum, die den Pol und Paris durchläuft. Das sind die beiden Orte, wie Sie ziemlich leicht erraten können. Aber wir brauchen etwas Repräsentatives im Labor, wie diese Meter-Stangen. Jedes Land bekam zwei und das war wirklich eine wundervolle Sache. Als ich dem National Bureau Standard beitrat und die Kratzer an den Endpunkten des Meters maß, war das damals noch ein Forschungsthema. Im gleichen Jahr ging es mit den Lasern los ... Hier ist eine Dopplerbreite. Hier ist die Breite einer gesättigten Absorptionsresonanz, die sehr stark und sehr schmal ist. Sie brauchen kein Genie zu sein um zu erkennen, dass wir hier besser einen Faktor haben, Wir möchten davon die Frequenz messen. Hier, das Team des National Bureau Standards bereitet sich darauf vor, um die letzte Messung der Lichtgeschwindigkeit im Jahr 1972 vorzunehmen. Das eröffnet die Möglichkeit, das Messgerät neu zu definieren. Im Jahr 1960 wurde festgelegt, dass das Licht einer Krypton-Entladung inkohärent ist. Das zeigt, dass diese Wissenschaftsgruppen nicht immer über den Fortschritt anderer Bescheid wissen. Dann wurde er 1983 neu definiert. Ich glaube nicht, dass wir rätseln müssen, denn ihr alle kennt diese Nummer auswendig. Sie ist sicherlich so wichtig wie die Telefonnummer. Dann hatte Ted Hänsch eine Idee, ungefähr hundert Jahre nach Herrn Fourier, zur gleichen Zeit wie Chebotayev, dass es wirklich schön wäre, ein Spektrum von gleich verteilter Frequenz messen zu können. Es ist ein wenig wie ein Meterstab mit seinen Kratzern, man könnte die Frequenzen aufreihen und sie vergleichen. Das war eine sehr gute Idee und eine Kombination aus Wettbewerb und Zusammenarbeit zwischen München und Boulder, die zu einem absolut glorreichen Erfolg führte. So wurden die Frequenzstandards immer besser, durch den Einsatz neuer Technologien und durch die recht einfachen Messverfahren. Dieses Forschungsfeld hat also Erfolg. Hier ist ist die Cäsium-Uhr und irgendwo hier, die Idee, dass sich kalte Atome nach oben bewegen und dann als Fontäne abfallen. Angeregt durch Hochfrequenz, die diese Uhr gut arbeiten lässt. Aber es ist sehr schwer, eine ausreichend lange Interaktionszeit zu erhalten, da die Sekunde eine Messskala ist. Und in einer Sekunde gibt es nur 10^10 Schwingungen. So, jetzt sind wir in der 18. Potenz, wie erhalten Sie also acht weitere Stellen? Das scheint unmöglich. Wenn Sie jedoch mit einer optischen Frequenz starten, etwa 10^14, ist es sehr einfach, einige Fortschritte zu machen. Und was Sie hier sehen sind einige, grün markierte Punkte. Es wird ein Problem geben, denn diese neuen Technologien werden Frequenzen erzeugen, die nicht in Hertz oder metrischen Einheiten angegeben sind, weil die Norm nicht so gut ist. Diese neuen Technologien arbeiten entweder mit eingefangenen Ionen auf der Laserabfrage oder, mein Favorit ist es, mehrere Laserstrahlen zu verwenden, um überlappende Gitter von stehenden Wellen zu erhalten. Wie Steve bereits sagte: die Atome bewegen sich dorthin, wo die Welle am hellsten ist. Und eine sehr clevere Erfindung von Katori in Japan war es, eine Falle zu haben, die den optischen Übergang nicht verletzte, den sie verwendeten, wenn die Verschiebung aufgrund des Lichts die Kraft ausmacht, es verschiebt die Energielevels. Und wenn man das gleiche im Grundzustand und angeregten Zustand verwenden will, dann ist der Unterschied, dass die optische Uhr unbeeinflusst bleibt. Das erschien als eine wirklich große Idee, in die eine Menge Energie investiert wurde. Ich möchte nur sagen: wo sind wir jetzt? Gut 60 Jahre lang war Cäsium die beste Sache, und diente hervorragend als internationale Referenz. Die beste Referenz, die die Menschheit besitzt, für alle Arten von Messungen. Das einzige was das übertrifft, wäre eine mathematische Reihenentwicklung. Durch clevere Arbeit verbesserte sich das Ergebnis von sechs Größenordnungen in 60 Jahren zu 16 Stellen; und dort war eine Mauer und es ging nicht mehr weiter. Doch im Jahr 2008 wurden durch diese neuen optischen Verfahrensweisen drei Uhren potentiell genauer als die Zeit selbst. Und das ist natürlich etwas, dass eine Person erforschen möchte. Es scheint, als gäbe es neue Möglichkeiten. Es fällt in die Suchkategorie, wo andere nicht nachschauen. Und bei den eingefangenen Ionen gibt es bereits einige Kandidaten, viele Kandidaten und neutrale Atome. Und dann brauchen Sie nicht einmal ein Bier, um an den Ort zu gelangen und zu sagen: Messen diese Uhren wirklich die Zeit mit gleich? Lassen Sie uns dann das Universum ankurbeln, ein Jahr vorwärts schauen und sehen, was es da gibt. Also, das Thema nennt sich Kosmologie. Wir führen Kosmologie-Experimente im Labor durch, mit niedrigen Kosten, die Menschen in Deutschland in Braunschweig in der PTB durchführen und Menschen in den Vereinigten Staaten in Boulder, National Bureau Standards, heute NIST genannt. Das sind wirklich coole Dinge. Also hier ist ein Experiment von einem meiner Schüler, von dem denke, dass es außergewöhnlich gut ist. Es geht um Quecksilber-Ionen und Quecksilber ist interessant, weil es so viel Ladung hat und die inneren Elektronen ansaugt. Sie haben riesige Geschwindigkeit. Riesige Geschwindigkeit bei einer Ladung bedeutet ein riesiges Magnetfeld. Die Feinstrukturaufspaltung entspricht der Hälfte der Lichtenergie für Quecksilber. Im Falle von Aluminium gibt es verschiedene Farben, nicht zu gleichem Anteil, in der Tat ist es ein sehr geringer Anteil, nur etwa ein Prozent. Wenn Sie den Kamm für die Frequenzmessung benutzen, können Sie einen wirklich interessanten Vergleich anstellen. Wenn Sie die Frequenzen messen, das Verhältnis der Frequenzen von Aluminium und Quecksilber, auf dieser Achse, und wir sind an der 10. Stelle bis minus 16, und Sie sehen, es geht von vier auf fünf, 10, Minus 16 und das ist ein Jahr oder mehr auf der horizontalen Achse. Und jemand müsste wohl vorschlagen, eine gerade Linie durchzuziehen, denn wenn Sie sagen, dass sich bei einer schrägen Linie hier die fundamentalen Konstanten ändern, wird die Presse bei Ihnen vor der Tür stehen und viele Wissenschaftler werden sagen, dass dies nicht genug Daten sind, um die These zu belegen. Was auch immer, wenn Sie das Datum sehen, 2007, glauben Sie, dass sich diese Menschen ausruhen? Möglicherweise funktioniert es jetzt. Also, es ist nicht an mir zu sagen, wie diese Kurve jetzt aussieht, aber es könnte interessant sein. Eine Möglichkeit, dies zu diskutieren, ist ein Frequenzverhältnis und was ich Ihnen erzählte, war ein Analogon dieser Feinstrukturkonstanten. Die berühmte Zahl, 1/137,059999, und mehr Stellen, die von Gerald Gabrielse sehr genau gemessen wurden. In der anderen Achse gibt es Magnetismus. Was Sie in dieser Kurve sehen können, ist ein Bereich, wo sich alle verschiedenen Experimente im Ergebnis treffen. Und demnach ändert sich die Feinstruktur ständig? Nun, würde sie sich verändern, wäre die Veränderung geringer als ein Dreimillionenstel bezogen auf das Alter des Universums. Sollten Sie wetten, werde ich sagen, dass sich wahrscheinlich diese physikalische Konstante nicht verändert. Aber was ist mit der nächsten Stelle? Eine Übung für euch junge Leute, um zu sehen, was dabei herauskommt. Eine unglaubliche Sache ist, dass man bei der Informationenübertragung einen neuen Fall schaffen kann. Wir hörten bereits einen Vortrag über die Verschränkung. Und die Gruppe aus Innsbruck hat Atome in Zuständen neu hergestellt, Zustände in verschiedenen Bereichen in verschiedenen Atomen, und die Verbreitung erfolgt durch die Informationen. Eine andere Sache, die anfangs ein wenig überrascht, ist, dass, wenn Sie zwei Uhren auf zwei Tische legen, dann in einen Laden gehen und ein Hebegerät sich besorgen und den Tisch damit anheben... Nach 35 Zentimetern: was passiert dann? Die Frequenz ändert sich. Also nein, das ist nicht ganz das, was von unseren Freunden in Paris 1875 vorhergesagt wurde. Sie dachten, dass die Konstanten universell wären und wir in der Lage, Metrologie weltweit anzuwenden. Und dann gab es vor 100 Jahren die absolute Revolution, initiiert von Einstein, und nun wissen wir, dass es ein verstecktes Problem gibt, in Bezug auf unseren Rahmen in dem wir sind, aber es wäre sehr unschön, einfach nur den Rahmen zu ändern. Also, was wir alle glauben, denke ich, ist, dass wir, wenn wir innerhalb eines Gravitationsrahmen bleiben, keine Überraschungen erleben. Aber wenn Sie eine bessere Uhr haben, bei der diese einfach Auflösung... Sie haben jetzt eine neue Frequenz, die nur zwei Zentimetern entspricht und das ist die neueste Uhr, mit der die Gruppe von Jun Ye arbeitet. Hier ist ein Bild, das ihre Arbeit zusammenfasst. Sie sehen, jetzt sind wir bei einer Sekunde, jemand spricht über etwas wie 10^-16. Und es geht nach unten und diese Messung zeigt, dass nichts Seltsames passiert. Es gibt einen guten Artikel, der dieses Jahr herauskam. In der Tat kommen die meisten Störsignale vom Oszillator selbst, mit dem man die Frequenz messen will. Die Instabilität dieses Oszillators ist also ein limitierender Faktor. Und es wird durch die thermische Bewegung der Atome, die sich in der Beschichtung befinden, verursacht. Es ist aber dennoch Fortschritt, denn jedes Mal, wenn Sie das Problem verstehen, haben Sie die Chance haben, etwas zu verbessern. Nun machen die Leute Beschichtungen aus einem kristallinen Material und die thermischen Fluktuationen im verlustarmen Kristallin-Material ist geringer. Ich komme auf die Entwicklung der Uhren zurück. Wir gehen zu dem Cäsium-Highway hier und es wird besser. Wir zoomen hier entlang und tatsächlich, hier ist die aktuellste Bewertung des Strontiums, bei 10^-18 im Jahr 2000. Auch dies ist, wie gesagt, die Arbeit von Jun Ye. Es gibt keine größere Freude im Leben für einen alten Professor, als den passenden Nachfolger für sich selbst zu finden. Das ist hier der Fall. Jun Ye tut Dinge besser und schneller als ich. Es ist offensichtlich, dass die Zukunft einen neuen Standard braucht, aber die tatsächliche Frage ist, wann. Ein Kriterium ist, dass, wenn wir den Standard ändern, von dem alles abhängt, wir sichergehen müssen, dass er keine Fehler hat. Der Fortschritt sollte verlangsamt ablaufen und wir sollten viele Systeme bewerten und überprüfen, was das Beste ist. Und in dem Teil, zu dem ich jetzt komme, werdet ihr Spaß haben, wenn ihr Interesse daran habt: Es geht um Vergleichbarkeit, denn so wird Wissenschaft betrieben. Man misst an einem Ort und möchte das gleiche Messergebnis an einem anderen Ort erhalten. Es tut mir leid, euch sagen zu müssen, dass das nicht möglich ist. Schaut euch das an. Wenn wir Sonne und Erde und 93.000.000 Meilen hätten, ich entschuldige mich für diese Einheiten... aber es wird vermutet, dass wir uns nicht in einer exakt kreisförmigen Umlaufbahn befinden. Die allgemeine relativistische Rotverschiebung schwankt jährlich um 1,6 * 10^-18. Wir könnten das eigentlich sehen, jedoch kennen wir die Referenz nicht, weil sich alles bewegt. Wenn wir diesen Fall betrachten, ein Labor mit hellen Sonnenschein in der Mittagszeit und ein anderes um Mitternacht so gibt es einen erheblichen Gravitationsunterschied zwischen den beiden. In der Tat beträgt sie 180 Hertz und, wie bereits erwähnt, gibt es jetzt eine Messgenauigkeit in Millihertz. Die perfekte Chance, die allgemeine Relativitätstheorie gründlich zu überprüfen. Wenn wir das in unserem eigenen Labor überprüfen, ist der GR-Rahmen der Gleiche. Wir haben die Schwerkraft und können deren Veränderung, 10^-17 pro Meter, berücksichtigen. Aber wäre es nicht absolut fantastisch, wenn wir von den Mitternacht-Labors zu den Mittags-Labors gehen und sie vergleichen könnten, denn dann könnten wir uns wirklich mit diesem Thema der Weltzeit befassen? Nun, es gibt keine Weltzeit. Es gibt nur vom Rahmen abhängige Zeiten. Und das ist mit dem Begriff der Zeit passiert. Alles ist uns soweit klar, seriell geordnet, und das ist ein guter Ordnungsmechanismus, aber wenn man es genau wissen möchte, muss man aufpassen und die Schwerkraft gehört jetzt dazu. Nun, wie können wir Zeiten und Frequenzen vergleichen? Wir haben dieses sehr gut funktionierende GPS-System und man kann sich mit etwas im Bereich von 10^-14 pro Tag vergnügen. Es wäre besser, einen Satelliten zu haben, für den man bezahlt, und dann erhält man die schnellsten Längen und es stellt sich heraus, dass man den Faktor 350 zwischen einer Messung kürzen muss und wohin man gelangen muss. Das dauert ein Jahr. Es gibt einen anderen Weg, den ich hoch anpreise als einen... Ich hoffe, dass wir noch einige dieser Industrie-Leute haben, denn das ist in ihrem Bereich eine Möglichkeit. Wir haben gelernt, wie man ein Licht in einer Faser sendet. Natürlich kommt das Licht heraus, aber die Faser wackelt, und dass verändert die Phase und um Erfolg zu haben, muss man es an das andere Ende senden, es irgendwie markieren und es kommt zu einem zurück. Hier seht ihr, was ich gesendet habe. Dies habe ich zurückbekommen. Die Hälfte davon ist also, wie viel Geräusch in diese Richtung geht. Wir haben 1994 ein Dokument erstellt, das darstellt, wie es funktioniert. Teilen Sie die Phase in zwei Hälften und dann können Sie einfach ... Machen Sie weiter und das wird jetzt an vielen interessanten Orten eingesetzt. Das Radioteleskopspektrum in Chile wird mit diesem Femtosekundenkamm synchronisiert. Und, natürlich, die kleine Gruppe, es sind nicht viele Menschen, aber sie interessieren sich sehr für Uhrenvergleiche, Atomfrequenzen. Wenn man einen größeren Beschleuniger bauen möchte oder einen, der nicht weit entfernt ist von hier, muss man ihn synchronisieren und am stärksten funktioniert das mit Licht. Die Zahlen reichen von 10^-17 pro Sekunde oder so ähnlich und Millihertz für die Linienbreite. Diese Idee findet überall Zuspruch und hier kommt der Traum einiger französischen Kollegen, wie sich Europa organisieren könnte, um von Braunschweig in den Norden zu gelangen, und dann die Universität von Innsbruck, und natürlich spielt in ihren Plänen auch Paris eine Rolle. In der Tat wurde es bereits in kleinerem Maßstab erprobt. Dies war ein 150 Kilometer-Link. Dieses Dokument ist bereits mehrere Jahre alt und das Beste daran ist dieses wundervolle Ergebnis, weitaus besser als die GPS-Grenze hier an der Spitze. Sie haben dieses Resultat durch einen Kanal der Faser erhalten, eine Farbe, die die Faser enthält und nur ihrer Verwendung dient, während der Rest der Faser-Bandbreite für den Handel benutzt wurde. Also, das klingt nach einem Bereich, wo wir eine Vereinbarung mit einigen Unternehmen treffen könnten und jetzt sehen Sie, was mein Traum ist. Hier möchte ich ankommen. Ich möchte eine wettbewerbsfähige Strontium-Uhr im Jahr 2015 haben, die ein 10^-18 Bereich ist, und es kann nur besser werden. Also, was wollen wir? Nun, wir möchten eine Faser haben. Sie sprechen nicht darüber, wie viele dunkle Fasern sie haben. Sie reden über 60.000 Kilometer beleuchtete Fasern und sie verwandeln natürlich mein Licht in Elektronen, aber ich frage mich immer noch, ob sie vielleicht eine dunkle Faser haben, die wir verwenden könnten. Hier ist eine andere Firma. Die haben ein globales Netzwerk und ich frage mich, ob diese Jungs eine dunkle Faser haben, die wir benutzen könnten. So ... Und hier sind die Fasern. Und hier, wir haben sie in den letzten paar Jahren verloren, die Person, die von dieser unterseeischen Faser bei AT&T geträumt hat. Einer von Steve Chu Freunden. Es war wunderbar, als ich Steve besuchte, weil T.D. Lee da war mit einigen Leuten seines Teams und sie waren wirklich aufgeregt. Mittagszeit war Diskussionszeit. Mit Sicherheit gibt es irgendwo einen noch ungebrauchten Link, wir bräuchten einen Besonderen, denn alle 200 Kilometer braucht man einen Verstärker. Es müssen Raman-Verstärker sein und wir müssen mitteilen, welche Frequenz wir als Raman-Offset benutzen. Wir werden einige ihrer Kanäle verwenden, um die 11 Gigahertz für die Referenz zu übertragen. Es kann ganz einfach durchgeführt werden; und wird etwa 200 Millionen kosten, aber wer will sich schon die Mühe machen, wenn es wahrscheinlich bereits existiert. Diese Leute sorgen sich um die Sicherheit. Ich denke, sie haben dunkle Fasern, weil sie Redundanz möchten, aber da sie Banker sind wollen sie nicht, dass wir mit ihrem Glasfasernetz herumspielen. Eine andere Möglichkeit wäre, diesen russischen Träumern in den Molniya Orbit zu folgen. Er geht sehr weit heraus und es ist eine 12 Stunden-Schleife. Und an dieser Stelle sieht die Erde so aus, als könnte man von Boulder zu irgendeinem Ort in Europa mit nur einem Schuss gelangen. Aber die Geschwindigkeit ist unglaublich. Es gibt dort einige Dopplereffekte, von denen man sich nur schwer wieder befreit. Denken Sie daran, wir werden eine optische Frequenz senden und dabei einen Doppler-Effekt nutzen, und das muss so genau sein, dass es Millihertz sind. Nun, das klingt wirklich schwierig. Also, eine andere Idee wäre, das Experiment bewusst durchzuführen, indem man sie verlinkt. Über die STAR-Mission wird seit über 10 Jahren gesprochen. Und die Idee ist es, zwei Uhren zu stellen ... Nein, ich muss es hier tun. Zwei Uhren in der Umlaufbahn. Eine von ihnen ist eine optische Atomuhr und Sie wissen, das haben Sie auf einem der Bildschirme gesehen, dass sich, wenn Sie eine der Uhren anheben, die Frequenz des Gravitationspotentials ändert. Aber was passiert dann, wenn Sie eine von Ted Hänschs Lichtimpulsen benutzen, die sich dann hin und her bewegen? Der Kristall liegt vor, er hat diese Netzebenen und ist wirklich hart, auch wenn er in Erdschwerkraft liegt und am Ende wird er kaum komprimiert. Also, ich denke, dass wir ein wenig theoretische Hilfe benötigen, denn es gibt keinen Zweifel daran, dass die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass sich die Länge verändert, aber das ist nicht wirklich Länge. Es sind Gitterkonstanten, die ich als meine Referenz verwenden möchte. Es gibt keine Schwerkrafteinwirkung auf das optische Feld im Satelliten-Inertialraum, richtig? Also, ich glaube, das wäre eine wirklich coole Sache. Mein Vorschlag in meinem Bereich der Expertise ist, ein Bündel von Lichtstrahlen an die Umgebung um diesen Spiegel herum als Multi-Bounce zu senden, um eine längere Absorptionszeit zu erhalten. Es ist nicht notwendig, über all das zu sprechen, aber ich habe jetzt herausgefunden, für diejenigen unter euch, die versucht haben, im Labor mit Phasenmodulatoren zu arbeiten, und entdeckt, dass sie zusätzlich zu den Phasenmodulatoren den Strahl steuern und der Umfang den Strahl moduliert. Und ich bin hier, um Ihnen zu sagen, dass es jetzt eine gute Antwort, darauf gibt. Also, ich habe eine Theorie, wie diese Uhren funktionieren könnten und das Wichtigste ist hier in dieser Spalte, etwa, wie viel Energie man braucht, etwas in Milliwatt. Und wie instabil die Frequenz ist, in dieser orangenen Spalte. Das sind Hertz. Es ist viel weniger als ein Hertz. Das bedeutet, dass ich alle technischen Probleme gelöst habe, aber das ist, was Sie erhalten würden, wenn Sie mit Elektromagneten optimal umgehen. Das funktioniert wirklich. Hier sind eine Doppler-Absorptionsspitze und eine gesättigte Absorptionsspitze. Dieser kleine Kerl gehört zur gleichen Art von Spitzen, die ich Ihnen im ersten experimentellen Bild gezeigt habe. Das kommt zusammen, Leute von Bob Byers Gruppe in Stanford arbeiten daran. Also, man eliminiert diese residuale Amplitudenmodulation, der Titel der Patentanmeldung ist RAM-Buster, und man findet einen Weg, auf der Symmetrie, basierend, es zu tun. Es sind keine optimierten Dinge, es wird automatisiert und die Symmetrie wird verwendet, nur um eine Null als Ergebnis zu erhalten. Die Behauptung ist sehr angenehm und das, was ich tun möchte, ist es, mit einer Größenskala wie die meiner Lunchbox zu starten. Hier liegen die Spiegel bereit, um optisch mit dem Hohlraum in Berührung zu kommen. Hier ist eine optische Faser und die Mikrowellenfaser und ein bisschen eigens verlötete Elektronik. Ich könnte diese ganze Uhr in dieser Box bauen. Nicht könnte. Ich baue sie. Und dann werden wir es sehen. Eine weiterer wichtiger Rat für euch alle, die ihr gerade Erfahrungen sammelt ist, mit intelligenten Menschen zu sprechen und eure Ideen auszuprobieren. Unter 500 findet ihr einen Physiker oder Wissenschaftler, der ein schlechter Mensch ist und euer Experiment oder die Idee wegschnappt. Überwiegend werden sie euch helfen, Sachen besser zu verstehen, was das Gute ist, und so hatte ich ein halbes Leben lang Freude an der Interaktion mit Ted und seinen ... Ich habe Thomas Udem noch nie in einem Hemd gesehen, das nicht rot war - aber das ist seine Entscheidung. Wir werden einige Nachforschungen anstellen, das ist meine Gruppe von vor ein paar Jahren. Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit.

John L. Hall (2015)

What About Redefining Time Using a Stable Laser?

John L. Hall (2015)

What About Redefining Time Using a Stable Laser?

Abstract

Several laser-based Atomic Clocks now have an accuracy potential of ~2 x10-18, a hundred-fold better than the best achieved after more than 60 years’ experience with rf resonances in Cs atoms. Still, this long attention span documents that the Cs Fountain Atomic Clock has certainly been mankind’s best measurement reference. Moving to a new international standard will bring interesting scientific, technical, and political issues. For example, the new clock’s potential accuracy will be destroyed if we are slightly wrong about the local gravity at the site, corresponding to an inch of vertical error above the earth’s center – at these new precision scales, even the Red Shift of General Relativity is a big deal! How will we intercompare the various future national reference standards? A third delicate issue is choosing just which of the several now-operating systems will be chosen as the new STANDARD. In the analogous redefinition of the International Metre in 1982-3, I was one of the two US experts when the Speed of Light became a defined quantity (c = 299 792 458 ±0 m/s).

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