Theodor Hänsch

A Passion for Precision

Category: Lectures

Date: 27 June 2006

Duration: 33 min

Quality: SD

Subtitles: EN DE

Theodor Hänsch (2006) - A Passion for Precision

For more than three decades, the quest for ever higher precision in laser spectroscopy of the simple hydrogen atom has inspired many advances in laser, optical, and spectroscopic techniques, culminating in femtosecond laser optical frequency combs as perhaps the most precise measuring tools known to man

Good morning, it's a particular delight for me to be here and I'm very grateful to be invited, because, as you've heard, I'm not even a chemist. I'm just a physicist, and a beginner at that, at least at giving talks at this wonderful meeting. The title I have chosen is 'A Passion for Precision', to physicists precision is a good thing, if you can measure more precisely than your colleague, you can look where he couldn't look, and you could perhaps discover something important. Precise measurements have often played an important role in really making breakthrough fundamental discoveries in physics. In chemistry, one might feel maybe precision isn't quite as important, nonetheless we've heard Kurt Wüthrich yesterday, telling us how you can unravel the structure of complex biomolecules with a precisely timed sequence of microwave pulses. So maybe physicists have something to contribute with precision even to chemistry. But I want to praise not just precision but also curiosity, I think you can have an advantage in research if you somehow can preserve your childlike curiosity and playfulness. Where a serious minded researcher might focus all his energy on the goal at hand, somebody curious and playful might discover that the fence is open at the back and you can get to the grains much more easily. Combination of curiosity and accurate measurements really was at the beginning of modern science, many consider Galileo Galilei as the founding father of the scientific method. And you may have heard the story that as a young man he was sitting in the cathedral of Pisa, watching a chandelier swing back and forth like a pendulum, and he observed that a period of the oscillation did not change as the amplitude of the pendulum diminished. So he started to experiment with pendulum vibrations, he determined that the mass of the bulb also doesn't matter. All that matters is the length of the pendulum, and of course today we can understand that easily as the play between potential energy and kinetical energy in the gravitational field of the earth. So Galileo had the thought that this could be used to make accurate clocks. He more or less invented the pendulum clock. And that was the beginning of an accelerating development of ever more precise clocks. Clocks are the most precise measuring instruments we know, and progress has often been going along with slicing times into finer intervals. So in the quartz clock we use quartz tuning fork oscillating at some ultrasonic frequency. The most precise clocks, the most precise atomic clocks that we use today use microwave oscillation, magnetic procession of the electron at the ground state, as a caesium atom is used in caesium atomic clocks. Here we can see how the accuracy of clocks has advanced over time. In the middle ages people were not very ambitious, the clocks of medieval church towers were good to maybe twenty minutes per day. Then came Galileo, and Huygens actually realised the first pendulum clock, and you see how things improved. Harrison's famous clock, with which he won the Longitude award for making a watch that was good enough to find the longitude of ships at sea, was good to maybe 100 ms per day. That's a good accuracy even today for mechanical watches. But you see the art advanced, quartz clocks, caesium clocks, the very most precise caesium clocks that we have today, that work with laser cold caesium atoms in a fountain, they range accuracies of something like 100 picoseconds per day. Clock makers are excited because on the horizon are clocks that might be still 1,000 times more accurate, maybe good to a part in 10 to the 18, optical clocks which use as a pendulum atoms or ions oscillating with the frequency of light. So that we slice time into a 100,000 times finer intervals. If you have a clock accurate to 10 to the -18, it's not enough to just tell the time, you have to say at what altitude you hold the clock, because 1 cm height difference makes a gravitational redshift of 10 to the -18, and who knows what one will discover with timepieces of such an accuracy. But so why don't we have optical clocks already? A big difficulty until recently was that we didn't have any clockwork. Of course we have the atoms that vibrate with the frequency of light but we didn't have the clock work, the counter that keeps track of the number of oscillations and translates it into the reading. So this is where the frequency comb comes in. This is a fairly recent development which finally gives us a simple tool for measuring optical frequencies. In a single step can link optical frequencies and microwave frequencies and we finally have a clockwork mechanism for an optical atomic clock. Again, this development came about, not because we wanted to make better clocks, but rather it started with curiosity. Of course, when I was a young postdoc at Stanford University, Arthur Schawlow, the co-inventor of the laser, with Charley Townes, he gave good advice to all his students and postdocs, he said: Because measuring a frequency counting the number of cycles during a given time interval is intrinsically a digital procedure, it's immune to many sources of noise. But in those days of course we had no idea how to measure the frequency of light. But we had fun playing, I was curious what is the simplest laser you can make, and I came up with a single drop of dissolution which you could pump with some blue light from another laser, and out comes a green laser beam. So then we moved on to edible lasers, we showed that you could make a jello laser that you could slice with a knife into laser rods. The story of this early history was published last year in Optics and Photonics News and out of this playful work came something that was actually quite useful. A fairly simple dye laser, but now with a telescope inside the cavity, grating and etalon, that was extremely monochromatic, so for the first time we had a laser who's colour you could change at will, but it was very monochromatic so that we could do high resolution spectroscopy, even better than the classical spectroscopes with a large spectrograph, because we had high intensity. So we could saturate the transitions, we could eliminate Doppler broadening, and so the question was what to do with this instrument. There came another gentleman, George Series, who advised his students to never measure anything but hydrogen. Of course, in chemistry that would be boring, in particular since he had hydrogen atoms in mind. But still, to physicists the hydrogen atom is something special because it's the very simplest of the atoms, just a single electron going around the proton and we have a very good theory of quantum electrodynamics, that allows theorists to very precisely calculate energy levels and resonance frequencies in this simple atom. And so we can confront theory and experiment, maybe there's something new to be discovered, which could be very significant, but even if we don't discover anything new, we can measure better values of fundamental constants. And so following this advice, we used our dye laser to look at the red Balmer alpha line, my laser pointer is just about the colour of this line. Classical spectroscopies only saw a Doppler broaden blend of fine structure components as predicted by quantum electrodynamics, and with our laser we were thrilled that for the first time we could see individual components resolved including the famous lamb shift directly in the optical spectrum, and that was the beginning of a quest for ever higher resolution and accuracy in optical spectroscopy of this simple atom. Here is the progress charted, so with the advent of lasers and Doppler-free spectroscopy we could improve the relative accuracy from something like 7 digits to 8, 9, 10 digits towards the end of the '80s, and then we reached the limit, essentially imposed by how well we can measure the wavelength of light. All these experiments measured the wavelengths rather than the frequency of light. And the fact that there has been progress beyond then, really has to do with the fact that we have learnt increasingly well to count the ripples of a light wave, to really measure the frequency of optical radiation and we have reached here in hydrogen 14 digits of precision. We are approaching the limit given by how well we know the second, or unit of time, that is defined in terms of this caesium atomic clock. But the same tricks that allow us to measure optical frequency now make it possible to develop optical atomic clocks and so I think during our life time we will see spectroscopic measurements up to 15, 16, maybe 17, 18 digits of precision. So it's an unexplored territory, it could be a desert, maybe there is nothing interesting to be discovered but it could also be that there are very intriguing things to be found, for instance that fundamental constants are not constant but are slowly changing with time. Briefly, for the hydrogen to get to such high precision, of course we need a very sharp resonance and there is one particularly sharp resonance in the atomic hydrogen, a two-photon transition from the ground state to the metastable 2S state, that you can excite with ultraviolet light at 243 nm, with two beams coming from opposite directions you eliminate first order Doppler shifts, and the natural line width of this transition, as given by the lifetime of the metastable state, is in the order of only 1 Hz compared to an optical frequency of 10 to the 15 Hz. To observe this line in our laboratory, we would use hydrogen atoms but associating molecules in a microwave discharge, we slowed down the atoms - unfortunately we can't laser cool hydrogen yet, but we can slow them down by collisions with a copper nozzle mounted on a helium cryostat. And these atoms, with a mean speed of maybe 300 m per second, then travel collinearly to a standing wave ultraviolet laser field inside an optical cavity, and after 10 cm or so, if they are excited to the metastable state, we can detect them by applying a clenching electric field and watching for Lyman-alpha photons and we can single out the signals from extra slow atoms by periodically chopping the laser light and looking for time delayed photons. In doing so we see a resonance line that is not yet 1 Hz, that we would like, but 500 Hz is not too bad. If we would take the visible Balmer spectrum and stretch it, so that it fits on the same scale, we could wrap it around the equator, and not only once but about 20,000 times. And so to do justice to this kind of resolution, clearly we need to know how to measure the frequency of light. Measuring the frequency of light is a dream as old as the laser. Ali Javan was the first to have a nicely behaved helium neon laser and he took two such lasers, superimposed the two beams with a beam splitter and he observed a beat note, as you expected from two tuning forks or from two radio frequency oscillators. So with this he discovered that laser light for the first time is light that can be described as a classical electromagnetic wave. And so we must have a well defined amplitude and phase, and if so, then it should be possible to count the ripples of such a light wave. Unfortunately doing that remained close to impossible for the next thirty years or so. To be sure there were a handful of well equipped government laboratories that mounted massive efforts to construct so called harmonic laser frequency chains, starting with Ken Evenson in the early '70s at NBS in Boulder. Here is a chain constructed in Germany, and in January of 1996 there was a paper laying claim of the first phase-coherent frequency measurement of visible radiation by a group at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt, this entire setup is too complex, you can probably not even read the writing, but it just shows that you needed to fill factory halls with lasers and oscillators, this chain stretched over three large laboratories in two separate buildings and it was designed to measure just one particular optical frequency, the red in the combination line of atomic calcium in terms of a caesium frequency standard. And the strategy is to traverse the entire electromagnetic spectrum, always producing some harmonics, some overtones and phase-locking, a new transfer oscillator to boost the power, so that you can go on to the next step and to reach the particular frequency that you want to measure, one has to solve a puzzle and involve auxiliary oscillators. So it was a big effort. And all of this has become enormously simpler and easier with the laser frequency comb. Essentially the heart of such a frequency comb is a single mode-locked femtosecond laser, in its most elementary form there would be a laser cavity and a pulse of light bouncing back and forth and there's a laser medium not shown here, that keeps this thing going, even though I'm coupling out the train of femtosecond pulses. To understand how this can be used to measure the frequency of light, we have to see how physicists have long described such systems, it's called a modelocked laser But it's called modelocked laser because in a laser cavity there are special stationary modes, eigen vibrations similar to the standing waves on a guitar string. And they can have only discrete frequency because the boundary conditions imply that an integer number of half wavelengths have to fit between the two mirrors. So in a single mode laser I have inside the standing wave and a couple out travelling wave of a single frequency. But now I can have more than one mode going at the same time, if the game medium supports that, if I have two modes I will oscillate at different frequencies and they will produce a beat note. So out comes more or less a pearl string of stretched wave packets inside at the slushing wave packet going back and forth. The wave packet can become more defined if I use more modes, so with three modes it's already more defined, with five modes. When all the waves add up they produce this packet. And elsewhere they destroy each other through interference. And of course in a real femtosecond laser I might have 100,000 of these modes going at the same time. If the laser behaves well, if it really produces pulses that remain alive, that are not being destroyed by dispersion, then the frequency spacing of adjacent mode must be precisely equal to the pulse repetition frequency and their non-linear mechanism in such a laser, such as Kerr-lens mode locking, that ensure that they impose a collective dictate on any mode that likes to oscillate at a different frequency, will then be quickly extinguished. So these two pictures are really equivalent, I can either argue that I have many modes oscillating at once and they interfere so as to produce wave packets in the time domain or I can in reverse say I have a wave packet going back and forth and many successive pulses interfere to produce sharp discrete comb lines in the spectrum. And so, with such a frequency comb generator I can now indeed try to measure the frequency of some unknown laser wave by superimposing the pulse train and the laser wave and looking with a photodiode for a beat note. I will find a low frequency interference signal whenever my unknown frequency comes close to one of these comb lines. When I'm right on the comb line I know that an integer number of wiggles of my unknown wave fits into the time period of my pulse train. Roy Glauber may ask: "Where are the photons?" Well, all of this description of course is purely classical, we are not worrying about photons, but there may be rich physics in studying photon correlations in this kind of comb. There is one complication that I didn't mention: In a real laser successive pulses will not be identical replicas. But we will, due to dispersion, have a pulse circulating in the cavity with two different speeds. The enveloped intensity travels with a group velocity whereas the wiggles of the electric field propagate with the phase velocity. And if these two velocities are not equal, then successive pulses will show such a pulse-to-pulse phase slip. And if you have that, one can show that you still have a frequency comb, the spacing of adjacent comb lines is still precisely equal to the repetition frequency, but the entire comb is displaced from the precise harmonics of the repetition frequency by some offset frequency, that's just equal to the phase slip for pulse interval. This was worked out back in the '70s in the PhD thesis of Jim Eckstein, at that time we had picosecond modelock phases and we had frequency combs that one could use as a ruler to measure spacings of spectra lines, but we were painfully aware that we didn't know where our comb lines are. So we didn't know how to measure absolute frequencies. Nowadays we indeed can measure absolute frequency and it has perhaps surprised most experts how far these principles can be pushed. I can take my modelock laser and send light pulses into a special microstructure silica-fibre, where the intensity can become very high, where the effective index, the changes with intensity, broadens the spectrum to give us white light, a rainbow of colours. And in fact this broadening is a complicated process involving things like shock wave formations, soliton splitting, but surprisingly enough it can be so reproducible that successive pulses still interfere in the spectrum to give us regularly spaced comb of several hundred thousand comb lines. And if I have a comb spanning more than an octave, it's easy to determine this previously unknown offset frequency by taking comb lines from the red and of the spectrum, sending them to a non-linear crystal that produces harmonic frequencies, second harmonic and some frequencies, new comb lines shifted by twice this offset frequency. And then I look at the collective beat note with the original comb lines, once I can measure the offset frequency, I can control it or make it go away. So I have now a frequency comb that represents precise integer harmonics of the radio frequency repetition rate and I can use it either by measuring this repetition frequency with a cesium clock as an optical frequency synthesiser that produces several hundred thousand precisely known optical reference frequencies that I can directly trace to the primary standard of time and frequency. Or in the future I can take a sharp optical line, like our hydrogen resonance or some other sharp line, take a nearby comb line, lock it to this optical reference and then the repetition frequency becomes a known integer fraction. So in that way I indeed have a clockwork for an optical clock and so this simple laser frequency comb behaves as if I had a hundred thousand precisely tuned phase-locked ultrastable lasers working at once its revolutionary wave meter, frequency counter that can indeed work from DC to the ultraviolet. Clockwork, optical frequency synthesizer can be an ultrastable microwave source and for us it's an enabling tool for fundamental measurements, it's also a source of phase stabilised femtosecond pulses and Ferenc Krausz in Garching has shown how such phase-stabilised femtosecond pulses can give you some new access to attosecond physics, where you study the electron dynamics rather than atomic vibrations in ultrafast physics. I'm a little bit proud that back in March of 1997 I first wrote down a proposal for such a self-referencing frequency comb, such combs have first been realised towards the end of 1999, and we were actually beat by a few weeks by the team of John Hall, who had easier access to get some of his magic photonic crystal fibre, holy fibre, so we got our fibre in the end not from Bell Labs but from the group of Philip Russell, so this is essentially what you need. You have a modelocked femtosecond laser, maybe controlled by a caesium clock. You broaden the spectrum with some of this magic fibre, you take comb lines from the red and send them to a doubling crystal and look for this beat note that reveals the carrier envelop offset frequency. So the frequency of each mode is given some integer multiple of the repetition frequency plus this frequency shift. And what used to fill factory halls now fits on a breadboard, you have the laser, some photonic crystal fibre and this non-linear interferometer where you take the infrared frequency, double it and superimpose it with some time delay to look for the beat frequency. Here is a photograph of an early such titanium sapphire synthesiser pump laser, femtosecond laser, magic fibre covered under the box and the non-linear interferometer. Nowadays people are increasingly excited about a different style of laser, fibre laser, erbium-doped fibre femtosecond lasers, because by working with guided light they need fewer adjustments and now continuous operation over extended periods. So you nowadays even can buy such a fibre femtosecond frequency synthesizer, it's about the size of a video recorder and can run for months without any human intervention. So it's suitable as a clockwork. How well does it work? There are unpublished measurements done at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig. Here Ekkehard Peik is operating at a terbium frequency standard, a single laser-cooled terbium ion in the radio frequency power trap with a sharp clock transition and this can be compared with the caesium fountain clock. And the question is: If you do this using two different fibre combs, will you find the same answer? And the answer is: Yes, indeed, the frequency itself can be measured through something like 15 digits, simply because it's limited by the position of the microwave clock, but the two optical comb readings agree to parts at 10 to the 17 and here you get agreement to a part in 10 to the 15 in something like one minute, whereas to make a microwave measurement at that level requires a day or longer. So optical clocks certainly have some advantages. My time is running out, so I will not have time to tell you about the hydrogen spectroscopies, so we will skip quickly through some slides that tell you how hydrogen frequencies can be measured well and how two measurements separated by some years can give you some indication about possible variations of fundamental constant. But I want to say one thing: Very recently there was an article in Physical Review Letters, where researchers have compared molecular absorption lines in the light of distant quasars compared to laboratory spectra. And they believe that they have some evidence that the proton-electron mass ratio has changed since the early universe by something like 2.4 x 10 to the -5 over the time span of 12 billion years. And of course with our laboratory measurements we can reach sensitivities of this level. But it would be intriguing and maybe there are theoretical chemists here who have some ideas. If you could design some molecule with a resonance frequency that changes much more quickly than the proton electron mass ratio, I don't know how to do it, but it might be that tunnelling could play a role. And if you could do that, then of course we could maybe watch variations of this mass ratio from day to day, if it's still going on. This is just what we know today from three different measurements, but, to conclude, we will have much more stringent limits on how fast constants change, because in many industrial countries they have strong teams at work perfecting optical clocks, which use as a pendulum either ions in power traps or cold neutral atoms, for instance captured in an optical lattice, in an array of laser tweezers, where the atoms are held without colliding. And Hidetoshi Katori has shown that you can choose tweezer wavelengths, magic wavelengths, where you don't have light shifts, and of course molecules are interesting if you want to search for variation of the electron-proton mass ratio. If you look how the state of the art is advancing, the blue line gives us the fraction of uncertainty of microwave frequency standards, essentially the caesium clock, as it has evolved over more than 50 years, and the green line shows how optical frequency standards have been advancing. You can see it is much steeper, the line, and here it looks like a neck-to-neck race, but it's not quite a fair comparison, because all of these optical standards have been referenced to a cesium clock, so they cannot be better than the caesium clock. If I compare two different optical frequency standards, I can indeed already do better, for instance workers in Boulder, Jim Bergquist and Dave Wineland and his group, they have recently compared two optical clocks, one using a single mercury ion and a power trap, and another based on an aluminium ion in a power trap, and in as yet unpublished result, I think they find agreement to within a few parts in 10 to the 17. There are many reasons why people like better atomic clocks, they allow us, for instance, to synchronise clocks over large distances, this is important for radioastronomy, for satellite navigation, for tracking of space probes, even for telecommunications. In network synchronisation, with better clocks I can watch variations in the rotation rate of the earth. I can get a better observation of tectonic shifts, astronomers can hope to see irregularities in the signals of pulsars. And of course physicists like to test special and general relativity in a way, and we are wondering if fundamental constants are constant. If they are not constant, it wouldn't mean much for our everyday life, but for our understanding of the universe, of course. Just to conclude, there are of course applications of frequency combs other than using them as clockworks, they can give us new exquisite control of light, people are dreaming of arbitrary optical wave form synthezisers, they can allow very precise measurements of length and distance and can do massively parallel intracavity spectroscopy, as demonstrated for instance by Jun Ye in Boulder, one can use them to generate attosecond pulses of soft x-rays, as demonstrated in an oscilloscope for light waves. We are working towards precision spectroscopy in the extreme ultraviolet, using frequency combs, produced by harmonic generation and we are collaborating with people at the European Southern observatory to use frequency combs to calibrate large astronomical spectrographs to search for planets via a tiny periodic Doppler shifts for the light of the main star. So we've reached the end, this is a list of all the co-workers who have shared this adventure over several decades. Two people deserve particular merit, Ronald Holzwarth and Thomas Udem, who really were the key people making the frequency comb become a reality. And with this we have reached the end, except for one more thing. If you are interested, please talk to me.

Guten Morgen! Es ist ein besonderes Vergnügen für mich hier zu sein und ich bin sehr dankbar dafür, eingeladen worden zu sein, weil ich, wie Sie gehört haben, noch nicht einmal ein Chemiker bin. Ich bin nur ein Physiker, und auch nur ein Anfänger, wenigstens was das Halten von Vorträgen auf dieser wunderbaren Tagung betrifft. Der von mir gewählte Titel ist ‚Eine Passion für Präzision‘; für Physiker ist Präzision eine sehr gute Sache; wenn man präziser messen kann als der Kollege, dann kann man Sachen sehen, die er nicht sehen kann, und man kann vielleicht etwas Wichtiges entdecken. Präzise Messungen haben oft bei bahnbrechenden, grundsätzlichen Entdeckungen in der Physik eine wichtige Rolle gespielt. Man könnte meinen, dass Präzision vielleicht in der Chemie nicht ganz so wichtig ist, trotzdem haben wir gestern Kurt Wüthrich gehört, der uns erzählt hat, wie man mit einer präzise zeitlich festgelegten Sequenz von Mikrowellenpulsen die Struktur von komplexen Biomolekülen enträtseln kann. Vielleicht können Physiker mit der Präzision also doch sogar einen Beitrag in der Chemie leisten. Aber ich will nicht nur die Präzision loben, sondern auch die Neugierigkeit; ich denke, man kann in der Forschung einen Vorteil haben, wenn man sich die kindliche Neugier und Verspieltheit bewahren kann. Dort, wo ein ‚ernster‘ Wissenschaftler vielleicht all seine Energie auf das zu erreichende Ziel konzentriert, entdeckt jemand, der neugierig und verspielt ist, vielleicht, dass die Hintertür offen ist und man sich die Belohnung sehr viel einfacher abholen kann. Wissenschaft begann wirklich durch eine Kombination von Neugier und genauen Messungen; Galileo Galilei wird vielfach als der Gründungsvater der wissenschaftlichen Methode angesehen. Und vielleicht haben Sie die Geschichte gehört, dass er als junger Mann in der Kathedrale von Pisa saß und sah, dass ein Leuchter wie ein Pendel vorwärts und rückwärts schwang; er beobachtete, dass die Schwingungsperiode sich nicht änderte als die Schwingungsamplitude abnahm. So begann er also mit Pendelschwingungen zu experimentieren, er fand heraus, dass die Masse des Gewichts auch keine Rolle spielte. Das Einzige, auf das es ankommt, ist die Länge des Pendels, und heute können wir das leicht verstehen als das Spiel zwischen potentieller und kinetischer Energie im Schwerefeld der Erde. Also hatte Galileo die Idee, dass dies benutzt werden könnte um genaue Uhren herzustellen. Er erfand, mehr oder weniger, die Pendeluhr. Und dies war der Anfang einer sich beschleunigenden Entwicklung von immer genaueren Uhren. Uhren sind das präziseste Messinstrument, das wir kennen, und Fortschritt ging oft einher mit einer Einteilung der Zeit in immer feiner werdende Intervalle. In den Quarzuhren verwenden wir Quarz-Schwinggabeln, die bei einer Ultraschallfrequenz schwingen. Die präzisesten Uhren, die präzisesten Atomuhren, die wir heute benutzen, verwenden Mikrowellenschwingungen, magnetische Präzession des Elektrons im Grundzustand, so wie ein Cäsium-Atom in Cäsium-Atomuhren benutzt wird. Hier kann man sehen, wie die Genauigkeit von Uhren sich als Funktion der Zeit entwickelt hat. Im Mittelalter waren Menschen nicht sehr ehrgeizig, die Uhren von mittelalterlichen Kirchtürmen waren vielleicht auf 20 Minuten pro Tag genau. Dann kam Galileo, und Huygens realisierte tatsächlich die erste Pendeluhr, und man kann sehen, wie das die Dinge verbesserte. Harrisons berühmte Uhr, mit der er den Längengrad-Preis gewann für die Produktion einer ‚Taschenuhr‘, die gut genug war um den Längengrad eines Schiffes auf See zu bestimmen, war vielleicht auf 100 ms pro Tag genau. Das ist sogar heute noch eine gute Genauigkeit für mechanische Uhren. Aber man kann sehen, dass sich die Technik fortentwickelte, Quarzuhren, Cäsiumuhren, die präzisesten Cäsiumuhren, die wir heute haben, die mit lasergekühlten Cäsiumatomen in einer Fontäne arbeiten, sie erreichen Genauigkeiten von ungefähr 100 Pikosekunden pro Tag. Die Uhrenhersteller sind aufgeregt, weil am Horizont Uhren sichtbar werden, die vielleicht noch einmal 1000-fach genauer sind, vielleicht mit einer Genauigkeit von einem Teil in 10 hoch 18 Teilen, optische Uhren, die Atome oder Ionen als Pendel benutzen, die mit der Frequenz des Lichts schwingen. Damit wir so die Zeit in 100.000-fach kleinere Intervalle teilen. Wenn man eine Uhr hat, die eine Genauigkeit von 10 hoch -18 hat, dann reicht es nicht, nur die Zeit anzusagen, man muss auch sagen, auf welcher Höhe man die Uhr hält, weil 1 cm Höhendifferenz einen Gravitationsrotverschiebung von 10 hoch -18 erzeugt, und wer weiß schon, was man mit derart genauen Zeitmessern noch herausfindet. Aber warum haben wir dann noch keine optischen Uhren? Bis vor kurzem war eine große Schwierigkeit, dass wir kein Uhrwerk besaßen. Wir haben natürlich die Atome, die mit der Frequenz des Lichts schwingen, aber wir hatten kein Uhrwerk, den Zähler, der die Zahl von Schwingungen zählt und es in eine Anzeige umwandelt. Hier kommt der Frequenzkamm zum Tragen. Das ist eine recht neue Entwicklung, die uns nun endlich ein einfaches Werkzeug in die Hand gibt um optische Frequenzen zu messen. In einem einzigen Schritt kann er optische Frequenzen und Mikrowellenfrequenzen verbinden und wir haben dann am Ende ein Uhrwerk für eine optische Atomuhr. Diese Entwicklung war wieder nicht dadurch angestoßen worden, dass wir bessere Uhren herstellen wollten, sondern begann mit der Neugier. Als ich ein junger Postdoc an der Stanford Universität war, gab Arthur Schawlow, zusammen mit Charley Townes der Erfinder des Lasers, all seinen Studenten und Postdocs einen guten Rat, er sagte: d.h. die Zahl der Zyklen in einem gegebenen Zeitintervall zu zählen, ist eine intrinsisch digitale Prozedur, es ist immun gegen viele Rauschquellen. Damals hatten wir natürlich noch keine Idee, wie man die Frequenz von Licht messen könnte. Wir hatten Spaß herumzuspielen, ich war neugierig, was der einfachste Laser wäre, den man herstellen könnte, und eines Tages fand ich einen Tropfen Farbstofflösung, die man mit blauem Licht eines anderen Lasers pumpen konnte, und heraus kam ein grüner Laserstrahl. Dann gingen wir zu essbaren Lasern über, wir zeigten, dass man einen Gellaser herstellen kann, den man mit einem Messer in Laserstäbe zerschneiden konnte. Diese frühe Geschichte ist im letzten Jahr in Optics and Photonics News veröffentlicht worden, und aus dieser spielerischen Arbeit kam etwas heraus, das wirklich ganz nützlich war. Ein recht einfacher Farbstofflaser, aber jetzt mit einem Teleskop im Resonator, einem Gitter und einem Etalon, der war extrem monochromatisch; also zum ersten Mal hatten wir einen Laser, dessen Farbe wir willkürlich ändern konnten, aber er war sehr monochromatisch, so dass wir hochauflösende Spektroskopie betreiben konnten, sogar besser als die klassischen Spektroskopiker mit einem großen Spektrographen, da wir eine hohe Intensität hatten. Wir konnten daher die Übergänge sättigen, wir konnten die Dopplerverbreiterung eliminieren, und so ergab sich die Frage, was wir mit so einem Instrument machen sollten. Dann kam ein weitere Person, George Series, der seine Studenten anwies, nichts zu messen außer Wasserstoff. Natürlich wäre das in der Chemie langweilig, besonders da er an Wasserstoffatome dachte. Für Physiker ist das Wasserstoffatom aber trotzdem etwas spezielles, es ist das einfachste der Atome, nur ein einzelnes Elektron das ein Proton umkreist, und wir haben die sehr gute Theorie der Quantenelektrodynamik, die es Theoretikern erlaubt, die Energieniveaus und Resonanzfrequenzen in diesem einfachen Atom sehr genau zu bestimmen. Und so können wir Theorie und Experiment gegenüberstellen, vielleicht gibt es ja etwas Neues zu entdecken, das sehr wichtig sein könnte, aber sogar wenn wir nichts Neues entdecken, können wir bessere Werte der Naturkonstanten bestimmen. Und so folgten wir diesem Ratschlag, und benutzten unseren Farbstofflaser, um uns die rote Balmer-alpha-Linie anzusehen, mein Laserpointer hat ungefähr die Farbe dieser Linie. Klassische Spektroskopie sah nur die dopplerverbreiterte Mischung der Feinstrukturkomponenten, wie sie von der Quantenelektrodynamik vorhergesagt wird, und wir waren begeistert, mit unserem Laser zum ersten Mal die individuellen Komponenten direkt im optischen Spektrum aufgelöst zu sehen, einschließlich der berühmten Lamb-Verschiebung; und dies war der Beginn einer Suche nach immer höherer Auflösung und Genauigkeit in der optischen Spektroskopie dieses einfachen Atoms. Hier ist der Fortschritt aufgezeichnet, und mit der Ankunft der Laser und dopplerfreier Spektroskopie konnten wir gegen Ende der achtziger Jahre die relative Genauigkeit von ungefähr 7 bis 8 Stellen auf 8, 9, 10 Stellen verbessern, und dann erreichten wir die Grenze, im Wesentlichen bedingt dadurch, wie gut wir die Wellenlänge von Licht bestimmen konnten. Alle diese Experimente bestimmten die Wellenlänge, nicht die Frequenz des Lichts. Und die Tatsache, dass es weiteren Fortschritt gegeben hat, hat wirklich damit zu tun, dass wir gelernt haben, die Wellenzüge der Lichtwelle immer besser zu zählen, wirklich die Frequenz von optischer Strahlung zu messen, und wir haben hier bei Wasserstoff eine Präzision von 14 Stellen. Wir nähern uns der gegebenen Grenze von wie gut wir die Sekunde, die Einheit der Zeit, kennen, die über die Cäsiumatomuhr definiert ist. Dieselben Tricks, die es uns erlauben, optische Frequenzen zu messen, machen es uns nun möglich, optische Atomuhren zu entwickeln, und so denke ich, dass wir in unserem Leben noch spektroskopische Messungen mit einer Präzision auf 15, 16, vielleicht 17, 18 Stellen erleben werden. Das ist ein unerforschtes Territorium, es könnte eine Wüste sein, vielleicht gibt es dort nichts Interessantes zu entdecken, es könnte aber auch sein, dass sehr faszinierende Dinge dort gefunden werden können, zum Beispiel dass Naturkonstanten gar nicht konstant sind, sondern sich langsam mit der Zeit ändern. Nur kurz: um bei Wasserstoff eine so hohe Präzision zu erreichen, benötigt man selbstverständlich eine sehr scharfe Resonanz, und da gibt es im Wasserstoffatom eine besonders scharfe Resonanz, einen zwei-Photonen-Übergang vom Grundzustand in den metastabilen 2s-Zustand, der mit ultraviolettem Licht bei 243 nm angeregt werden kann; mit zwei Strahlen aus entgegengesetzter Richtung um Dopplerverschiebungen zu eliminieren, und die natürliche Linienbreite dieses Übergangs, die durch die Lebensdauer des metastabilen Zustands gegeben ist, besitzt die Größenordnung von 1 Hz, verglichen mit der optischen Frequenz von 10 hoch 15 Hz. Um diese Linie in unserem Labor zu beobachten, benutzten wir Wasserstoffatome, indem wir Moleküle in einer Mikrowellenentladung dissoziiert haben, wir bremsten die Atome - unglücklicherweise können wir Wasserstoff noch nicht mit dem Laser kühlen – aber wir können sie durch Stöße mit einer Kupferdüse, die auf einem Heliumkryostaten angebracht ist, abbremsen. Und diese Atome, mit einer mittleren Geschwindigkeit von vielleicht 300 m pro Sekunde, bewegen sich dann kollinear mit der stehenden Welle eines Ultraviolettlaserfeldes in einem optischen Resonator, und nach etwa 10 cm, wenn sie in den metastabilen Zustand angeregt wurden, können wir sie detektieren, indem wir ein elektrisches Quenchfeld anlegen und nach Lyman-alpha-Photonen suchen, und wir können die Signale von extra langsamen Atome aussondern, indem wir das Laserlicht periodisch unterbrechen und zeitverzögerte Photonen suchen. Wenn wir das machen, sehen wir eine Resonanzlinie, die nicht schon 1 Hz ist, wie wir es wollen, aber 500 Hz sind auch nicht so schlecht. Wenn wir das sichtbare Balmerspektrum nähmen und es streckten, bis es auf dieselbe Skala passt, dann könnten wir es um den Äquator wickeln, und zwar nicht einmal, sondern circa 20.000-mal. Und um dieser Art von Auflösung Gerechtigkeit widerfahren zu lassen, müssen wir ganz sicher wissen, wie man die Frequenz von Licht misst. Das Messen der Lichtfrequenz ist ein Traum, der so alt ist wie der Laser. Ali Javan war der erste, der einen gutlaufenden Helium-Neon-Laser hatte, und er nahm zwei solcher Laser, überlagerte die zwei Strahlen mit einem Strahlteiler, und beobachtete eine Schwebung, wie man es von zwei Stimmgabeln oder von zwei Hochfrequenzoszillatoren erwarten würde. Damit entdeckte er zum ersten Mal, dass Laserlicht ein Licht ist, das man als klassische elektromagnetische Welle beschreiben kann. Und so muss es eine gut definierte Amplitude und Phase haben, und wenn das so ist, dann sollte es möglich sein, die Anzahl der Schwingungen einer solchen Lichtwelle zu messen. Unglücklicherweise blieb dies nahezu unmöglich für die nächsten dreißig Jahre ungefähr. Sicherlich gab es eine Handvoll von gut ausgestatteten nationalen Laboratorien, die große Anstrengungen unternahmen, die sogenannten Ketten von harmonischen Laserfrequenzen zu konstruieren, beginnend mit Ken Evenson in Boulder am Anfang der siebziger Jahre. Hier ist eine Kette, die in Deutschland konstruiert wurde, und im Januar 1996 gab es dann eine Publikation durch eine Gruppe an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, die beanspruchte, die erste phasenkohärente Frequenzmessung von sichtbarer Strahlung durchgeführt zu haben; der ganze Aufbau ist zu komplex, Sie können vermutlich noch nicht einmal die Schrift lesen, aber es zeigt, dass man ganze Werkhallen mit Lasern und Oszillatoren füllen musste, diese Kette erstreckte sich über drei große Labore in zwei unterschiedlichen Gebäuden und wurde entworfen, um nur eine bestimmte optische Frequenz zu messen, die rote Linie in der Kombinationslinie von atomarem Kalzium, im Vergleich zu einem Cäsiumfrequenzstandard. Und die Strategie ist es, das gesamte elektromagnetische Spektrum zu durchkreuzen, immer irgendwelche Harmonische zu erzeugen, einige Obertöne und Phasenkopplung, ein neuer Übergangsoszillator, um die Leistung zu erhöhen, damit man zum nächsten Schritt kommt und die spezielle Frequenz erreicht, die man messen will; man muss ein Problem lösen und Hilfsoszillatoren benutzen. Das war sehr mühsam. Und all dies wurde durch den Laserfrequenzkamm enorm einfacher. Der Kern eines solchen Frequenzkamms ist im Wesentlichen ein Einzelmode-Femtosekundenlaser, in seiner einfachsten Form wäre da ein Laserresonator und ein Lichtpuls, der sich hin und her bewegt, und da gibt es ein Lasermedium, das hier nicht gezeigt wird, und das das Ganze erhält, obwohl ich die Gruppe von Femtosekundenpulsen auskoppele. Um zu verstehen, wie das benutzt werden kann, um die Frequenz von Licht zu messen, müssen wir sehen, wie Physiker über lange Zeit solche Systeme beschrieben haben, es wird modengekoppelter Laser genannt – okay, ich sollte auch darauf hinweisen, dass es im Kern die Gedankenlichtuhr von Einstein ist. Es wird modengekoppelter Laser genannt, weil es in einem Laserresonator spezielle stationäre Moden gibt, Eigenschwingungen, ähnlich der stehenden Welle einer Gitarrensaite. Und die können nur bestimmte diskrete Frequenzen haben, weil die Randbedingungen besagen, dass eine ganze Zahl von halben Wellenlängen zwischen die beiden Spiegel passen muss. Also in einem Einzelmodelaser habe ich innen drin eine stehende Welle, und ich kopple eine wandernde Welle einer einzelnen Frequenz aus. Ich kann nun aber mehr als eine Mode zur selben Zeit haben, wenn das Lasermedium das unterstützt; wenn ich zwei Moden habe, schwinge ich auf verschiedenen Frequenzen und das produziert einen Schwebungston. Also kommt mehr oder weniger eine Perlenkette von gestreckten Wellenpaketen heraus, und innen geht das schwappende Wellenpaket hin und her. Das Wellenpaket kann besser definiert werden, wenn ich mehr Moden verwende, mit drei Moden ist es schon besser definiert, mit fünf Moden. Und wenn alle Wellen sich aufsummieren, produziert das dieses Paket. Und überall sonst zerstören sie sich durch Interferenz. Und natürlich habe ich in einem realen Femtosekundenlaser vielleicht 100.000 solcher Moden zur gleichen Zeit. Wenn der Laser sich gut verhält, wenn er wirklich Pulse produziert, die am Leben bleiben, die nicht durch Dispersion zerstört werden, dann müssen die Frequenzabstände von benachbarten Pulsen präzise der Pulswiederholungsfrequenz entsprechen, und die nichtlinearen Mechanismen in einem derartigen Laser, wie die Kerr-Linsen Modenkopplung, die sicherstellt, dass sie einen kollektiven Zwang ausüben und jede Mode, die bei einer anderen Frequenz schwingen will, wird dann schnell ausgelöscht. Diese beiden Bilder sind wirklich äquivalent, ich kann entweder sagen, dass ich viele Moden habe, die simultan schwingen und diese interferieren so, dass sie in der Zeitdomäne Wellenpakete erzeugen, oder ich kann umgekehrt sagen, ich habe ein Wellenpaket, das hin und her geht und viele aufeinanderfolgende Pulse interferieren um scharfe, diskrete Kammlinien in dem Spektrum zu produzieren. Und mit einem derartigen Frequenzkammgenerator kann ich nun wirklich versuchen, die Frequenz eines unbekannten Lasers zu messen, indem ich die Gruppe von Pulsen und die Laserwelle überlagere und mit einer Photodiode nach einer Schwebungsfrequenz suche. Ich werde dann ein niederfrequentes Interferenzsignal finden, sobald meine unbekannte Frequenz in die Nähe einer dieser Kammlinien kommt. Wenn ich genau auf der Kammlinie bin, dann weiß ich, dass eine ganze Zahl von Schwingungen meiner unbekannten Welle in die Zeitperiode meiner Pulsgruppe hineinpasst. Roy Glauber könnte fragen: „Wo sind die Photonen?“ Nun, diese ganze Beschreibung ist natürlich rein klassisch, wir kümmern uns nicht um Photonen, aber da gibt es vielleicht eine reiche Physik im Studium von Photonenkorrelationen in dieser Art von Kamm. Es gibt da noch eine Komplikation, die ich noch nicht erwähnt habe: In einem realen Laser sind aufeinanderfolgende Pulse keine identischen Kopien. Aber durch die Dispersion haben wir einen Puls, der sich durch den Resonator mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt. Die Einhüllende der Intensität bewegt sich mit der Gruppengeschwindigkeit, während sich die Schwingungen des elektrischen Feldes mit der Phasengeschwindigkeit bewegen. Und wenn diese zwei Geschwindigkeiten nicht gleich sind, dann haben aufeinanderfolgende Pulse eine Phasenverschiebung. Und wenn man das hat, kann man immer noch zeigen, dass man einen Frequenzkamm hat, die Abstände zwischen benachbarten Kammlinien ist immer noch präzise gleich der Wiederholungsfrequenz, aber der gesamte Kamm ist um eine Versatzfrequenz von der genauen Harmonischen der Wiederholungsfrequenz verschoben, die genau gleich der Phasenverschiebung des Pulsintervalls ist. Das wurde in den 70er Jahren in der Doktorarbeit von Jim Eckstein ausgearbeitet, zu der Zeit hatten wir modengekoppelte Pikosekundenlaser und wir hatten Frequenzkämme, die man als Lineal für die Messung von Abständen von Spektrallinien verwenden konnte, aber uns war schmerzlich bewusst, dass wir nicht wussten, wo unsere Kammlinien waren. Wir wussten daher nicht, wie wir absolute Frequenzen hätten messen sollen. Heute können wir selbstverständlich absolute Frequenzen messen, und es hat die meisten Experten vielleicht überrascht, wie weit diese Prinzipien getrieben werden können. Ich kann meinen phasengekoppelten Laser nehmen und Lichtpulse in eine spezielle mikrostrukturierte Glasfaser schicken, wo die Intensität dann sehr hoch werden kann, wo der Brechungsindex, der sich mit der Intensität ändert, das Spektrum verbreitert um uns weißes Licht zu geben, ein Regenbogen von Farben. Diese Verbreiterung ist in der Tat ein komplizierter Prozess, der Dinge wie die Entstehung von Schockwellen, das Aufspalten von Solitonen beinhaltet, aber überraschenderweise kann es so reproduzierbar sein, dass aufeinanderfolgende Pulse immer noch im Spektrum interferieren, um uns einen Kamm von mehreren hunderttausend Kammlinien mit regelmäßigen Abständen zu geben. Und wenn wir einen Kamm haben, der sich über mehr als eine Oktave erstreckt, dann ist es einfach, diese vorher unbekannte Versatzfrequenz zu bestimmen, indem wir Kammlinien vom roten Ende des Spektrums nehmen, sie über einen nichtlinearen Kristall schicken, der harmonische Frequenzen produziert, zweite Harmonische und Summenfrequenzen, neue Kammlinien, die um das Zweifache dieser Versatzfrequenz verschoben sind. Und dann schaue ich mir die kollektive Schwebung mit den ursprünglichen Kammlinien an, und sobald ich die Versatzfrequenz messen kann, dann kann ich sie kontrollieren oder zum Verschwinden bringen. Jetzt habe ich also einen Frequenzkamm, der präzise ganzzahlige Harmonische der hochfrequenten Wiederholungsrate repräsentiert, und ich kann es entweder nutzen, indem ich die Wiederholungsrate mit einer Cäsiumuhr messe, als einen optischen Frequenzsynthesizer, der mehrere hunderttausende von präzise bekannten optischen Referenzfrequenzen generiert, die ich direkt auf einen Primärstandard für Zeit und Frequenz zurückführen kann. Oder ich kann in der Zukunft eine scharfe optische Linie nehmen, wie unsere Wasserstoffresonanz oder eine andere scharfe Linie, nehme eine benachbarte Kammlinie, kopple sie mit dieser optischen Referenz und dann wird aus der Wiederholfrequenz ein bekannter Bruch von ganzen Zahlen. So habe ich also in der Tat ein Uhrwerk für eine optische Uhr, und so verhält sich dieser einfache Laserfrequenzkamm, als ob ich hunderttausend präzise abgestimmte, phasengekoppelte, ultrastabile Laser gleichzeitig habe, es ist ein revolutionäres Wellenmessgerät, Frequenzzähler, der tatsächlich von der Frequenz null bis zum Ultravioletten arbeitet. Uhrwerk, optischer Frequenzanalysator kann eine ultrastabile Mikrowellenquelle sein, und für uns ist es ein Werkzeug, das uns fundamentale Messungen ermöglicht, es ist auch eine Quelle von phasenstabilisierten Femotsekundenpulsen und Ferenc Krausz in Garching hat gezeigt, wie solche phasenstabilisierte Femtosekundenpulse einen neuen Zugang zur Attosekundenphysik ermöglichen, wo man in der ultraschnellen Physik die Elektronendynamik studiert anstelle der Atomschwingungen. Ich bin ein wenig stolz darauf, dass ich im März 1997 zum ersten Mal einen Vorschlag für solch einen selbst-referenzierenden Frequenzkamm niederschrieb; solche Kämme wurden zuerst gegen Ende von 1999 realisiert, und wir wurden tatsächlich von einem Team um John Hall um ein paar Wochen geschlagen, die einen leichteren Zugang zu einer kleinen Menge seiner magischen Photonikkristallfasern hatten, heilige Fasern, wir bekamen am Ende die Faser nicht von Bell Labs, sondern von der Gruppe um Philip Russell, das ist im Wesentlichen, was man braucht. Man hat einen modengekoppelten Femtosekundenlaser, vielleicht kontrolliert durch eine Cäsiumuhr. Man verbreitet das Spektrum mit einer kleinen Menge dieser magischen Faser, man nimmt Kammlinien vom roten Teil und sendet sie durch einen Verdopplungskristall und schaut nach der Schwebung, die die Versatzfrequenz der Trägereinhüllenden verrät. Die Frequenz einer jeden Mode ist gegeben durch ein ganzzahliges Vielfaches der Wiederholungsfrequenz plus diese Frequenzverschiebung. Und was früher Werkshallen gefüllt hat, passt nun auf ein Schaltbrett, man hat eine Laser, ein wenig Photonikkristallfaser und dieses nichtlineare Interferometer, wohin man die infrarote Frequenz bringt, sie verdoppelt, und dann mit einer Zeitverzögerung überlagert um nach der Schwebungsfrequenz zu suchen. Hier ist ein Foto eines solchen frühen Titan-Saphir-Synthesizer-Pumplaser, einem Femtosekundenlaser, die magische Faser von einem Kasten verdeckt und das nichtlineare Interferometer. Heute sind die Leute zunehmend begeistert von unterschiedlichen Laserarten, Faserlaser, Erbium-gedopte Femtosekunden-Faserlaser, weil, indem sie mit geleitetem Licht arbeiten, sie weniger Anpassungen benötigen und nun kontinuierlich über lange Zeiten arbeiten. Heute kann man einen solchen Femtosekunden-Faser-Frequenzsynthesizer kaufen, er ist etwa so groß wie ein Videorekorder und kann monatelang ohne menschlichen Eingriff arbeiten. Es ist also brauchbar als ein Uhrwerk. Wie gut arbeitet er? Es gibt unveröffentlichte Messungen, die an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig durchgeführt wurden. Hier arbeitet Ekkehard Peik mit einem Ytterbium-Frequenzstandard, einem einzelnen lasergekühlten Ytterbium-Ion in einer Hochfrequenz-Kühlfalle mit einem scharfen Uhrübergang und dies kann mit einer Cäsium-Fontänenuhr verglichen werden. Und die Frage ist: Wenn man dies mit zwei verschiedenen Faserkämmen macht, findet man dieselbe Antwort? Und die Antwort ist: Ja, in der Tat, die Frequenz selbst kann mit etwa 15 Stellen gemessen werden, einfach weil es durch die Präzision der Mikrowellenuhr begrenzt ist, aber die Ablesungen der zwei optischen Kämme stimmen auf ein Teil zu 10 hoch 17 Teilen überein, und hier kann man eine Übereinstimmung von einem Teil in 10 hoch 15 Teilen in ungefähr einer Minute bestimmen, während es einen Tag oder länger dauert, die Mikrowellenmessung zu machen. Optische Uhren haben daher einige Vorteile. Meine Zeit läuft mir davon, ich werde also keine Zeit haben, Ihnen von der Wasserstoffspektroskopie zu erzählen, also springe ich über einige Bilder, die Ihnen erzählen, wie man Wasserstofffrequenzen gut messen kann und wie zwei Messungen, die einige Jahre auseinanderliegen, Ihnen einen Hinweis auf mögliche Variationen von Naturkonstanten geben können. Ich möchte nur eine Sache sagen: Vor kurzer Zeit gab es einen Artikel in der Physical Review Letters, wo Forscher molekulare Absorptionslinien im Licht von entfernten Quasaren mit solchen von Laborspektren verglichen haben. Und sie glauben, dass sie einige Beweise haben, dass das Proton-Elektron-Masseverhältnis sich in einer Zeitspanne von 12 Milliarden Jahren seit den frühen Tagen des Universums um etwa 2,4 x 10 hoch -5 geändert hat. Und mit unseren Laborexperimenten können wir natürlich Empfindlichkeiten auf diesem Niveau erreichen. Das wäre aber faszinierend, und vielleicht gibt es hier theoretische Chemiker, die einige Ideen haben. Wenn man ein Molekül mit einer Resonanzfrequenz, die sich viel schneller ändert als das Proton-Elektron-Massenverhältnis, entwerfen könnte, ich weiß aber nicht, wie man das machen würde, aber vielleicht könnte Tunneln eine Rolle spielen. Und wenn man dies tun könnte, dann könnten wir natürlich die Variation dieses Massenverhältnisses vielleicht von Tag zu Tag beobachten, falls es noch stattfindet. Das ist was wir von drei unterschiedlichen Messungen heute wissen, aber, um abzuschließen, wir werden viel engere Grenzen haben dafür, wie schnell sich die Konstanten ändern, weil in vielen Industrieländern große Teams an der Perfektion von optischen Uhren arbeiten, die entweder Ionen in Kühlfallen oder kalte neutrale Atome als Pendel enthalten, beispielsweise gefangen in einem optischen Gitter, in Laserpinzetten, wo die Atome gehalten werden ohne zu stoßen. Hidetoshi Katori hat gezeigt, dass man Wellenlängen der Pinzette so wählen kann, magische Wellenlängen, dass man keine Lichtverschiebungen hat, und Moleküle sind natürlich interessant, wenn man nach der Variation des Elektron-Proton-Masseverhältnisses suchen möchte. Wenn man sich ansieht, wie die Technik voranschreitet, diese blaue Linie zeigt uns den Bruchteil der Unsicherheit von Mikrowellenstandards, im Wesentlichen der Cäsiumuhr, wie es sich über mehr als 50 Jahre geändert hat, und die grüne Linie, wie sich optische Frequenzstandards fortentwickelt haben. Man kann sehen, dass es viel steiler verläuft, und hier sieht es wie ein Kopf-an-Kopf-Rennen aus, aber das ist kein ganz fairer Vergleich, weil alle diese optische Standards auf eine Cäsiumuhr bezogen sind, sie können nicht besser sein als die Cäsiumuhr. Wenn man zwei verschiedene optische Frequenzstandards vergleicht, kann man in der Tat bereits besser sein, beispielsweise haben Jim Bergquist, Dave Wineland und seine Gruppe in Boulder vor kurzem zwei optische Uhren verglichen: eine, die ein einzelnes Quecksilberion und eine Kühlfalle benutzt, und eine andere, die auf einem Aluminiumion in einer Kühlfalle beruht, und in noch unveröffentlichten Resultaten finden sie eine Übereinstimmung von ein paar Teilen in 10 hoch 17 Teilen. Es gibt so viele Gründe, warum Leute bessere Atomuhren mögen, sie erlauben uns beispielsweise Uhren über große Entfernungen zu synchronisieren, das ist wichtig für die Radioastronomie, für Satellitennavigation, für die Verfolgung von Raumsonden, sogar für die Telekommunikation. Bei der Netzwerksynchronisation kann ich mit besseren Uhren Variationen in der Rotationsfrequenz der Erde beobachten. Ich kann tektonische Verschiebungen besser beobachten, Astronomen können darauf hoffen, Irregularitäten in den Signalen von Pulsaren zu sehen. Und Physiker wollen natürlich die spezielle und die generelle Relativitätstheorie auf neue Weisen testen, und wir fragen uns, ob Naturkonstanten konstant sind. Wenn sie nicht konstant wären, würde das nicht viel für das tägliche Leben bedeuten, aber natürlich für unser Verständnis des Universums. Um damit abzuschließen, es gibt natürlich andere Anwendungen von Frequenzkämmen über die Benutzung als Uhrwerk hinaus, sie geben uns eine ausgezeichnete Kontrolle von Licht, manche träumen von Synthesizern für willkürliche optische Wellenformen, sie können uns eine sehr präzise Messung von Länge und Entfernung erlauben und wir können massiv-parallele Intraresonatorspektroskopie durchführen, wie beispielsweise durch Jun Ye in Boulder gezeigt, wir können sie benutzen, um Attosekundenpulse von weichen Röntgenstrahlen zu erzeugen, wir können ein Oszilloskop für Lichtwellen haben. Wir arbeiten auf eine Präzisionsspektroskopie im extremen Ultraviolett hin, mit Frequenzkämmen, die durch Harmonische erzeugt werden, und wir arbeiten mit Leuten an der Europäischen Südsternwarte zusammen um große astronomische Spektrographen zu kalibrieren, um Planeten mit Hilfe von winzigen periodischen Dopplerverschiebungen im Licht des Hauptsterns zu suchen. Wir haben also das Ende erreicht, dies ist eine Liste mit allen Mitarbeitern, die dieses Abenteuer über mehrere Jahrzehnte geteilt haben. Ich muss zwei Leuten besonders danken, Ronald Holzwarth und Thomas Udem, die wirklich diejenigen waren, die den Frequenzkamm Realität haben werden lassen. Und hiermit haben wir das Ende erreicht, bis auf eine weitere Sache: wenn Sie Interesse haben, sprechen Sie mich bitte an.


For more than three decades, the quest for ever higher precision in laser spectroscopy of the simple hydrogen atom has inspired many advances in laser, optical, and spectroscopic techniques, culminating in femtosecond laser optical frequency combs as perhaps the most precise measuring tools known to man.

Applications range from optical atomic clocks and tests of QED and relativity to searches for time variations of fundamental constants. Recent experiments are extending frequency comb techniques into the extreme ultraviolet. Laser frequency combs can also control the electric field of ultrashort light pulses, creating powerful new tools for the emerging field of attosecond science.