Durchführen von Messungen mit einem feinzahnigen Kamm

Für viele Menschen klingt eine Messung banal, wie das Markieren von Häkchen auf einem Lineal oder das Ablesen der Linie auf einem Thermometer. Es ist ein Stück Daten. Und sie neigen dazu zu denken, dass verbesserte Messungen wie immer feinere Striche auf einem Lineal aussehen. Aber das Durchführen neuer Messungen ist mehr als nur das Anbringen feinerer Markierungen auf einem Lineal. Etwas zu messen bedeutet, es zu verstehen, es auseinander zu nehmen und zu sehen, wie es funktioniert. Neue Messungen können Möglichkeiten eröffnen, an die selbst Wissenschaftler zu Beginn nicht gedacht haben. Vielleicht gibt es kein besseres Beispiel als den optischen Frequenzkamm. Ganz einfach, dieses Gerät ist ein Lineal für Licht. Und doch ist es so viel mehr als ein Lineal.

Radiowellen, Mikrowellen, sichtbares Licht, Röntgenstrahlen und Infrarot sind alle Teil des Spektrums elektromagnetischer Frequenzen. Sie alle sind Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, aber der Abstand zwischen den Spitzen dieser Wellen kann Kilometer voneinander entfernt sein, wie bei einigen Radiowellen, oder Nanometer, wie bei sichtbarem Licht und Ultraviolett.

In den 1970er Jahren steckten Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) fest. Sie wollten präzisere und genauere Atomuhren, die auf den sehr hohen optischen Frequenzen des Lichts basieren, die von Atomen freigesetzt werden, wenn ihre Elektronen zwischen Energiezuständen springen, im Gegensatz zu den niedrigeren Mikrowellenfrequenzen, die sie verwendeten. Bessere Uhren würden ihnen eine genauere Definition der Sekunde geben. Eine genauere Sekunde würde ihnen eine bessere Definition des Meters geben, also der Entfernung, die Licht in einem Vakuum in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde zurücklegt. Aber all das beruhte darauf, diese Lichtfrequenzen genau und präzise messen zu können.

Es gab eine Messlücke zwischen den beiden Enden des elektromagnetischen Spektrums. Wissenschaftler konnten Radio- und Mikrowellenfrequenzen genau messen, aber es gab keine Elektronik, die schnell genug zählen konnte, um mit den optischen Frequenzen des Atoms Schritt zu halten. Sie könnten einen Laser mit einer passenden Frequenz verwenden, um die optische Frequenz des Atoms abzulesen. Wissenschaftler hatten Laser mit bekannten, genauen Frequenzen, aber sie konnten nur eine einzige Frequenz oder Farbe erzeugen. Ohne die genaue Frequenz des Atoms zu kennen, würde es viel Versuch und Irrtum erfordern, den richtigen Frequenzlaser zum Lesen des Atoms zu finden. NIST-Wissenschaftler versuchten, mehrere Laser mit unterschiedlichen Frequenzen in Reihe zu schalten, um ein rudimentäres optisches Lineal herzustellen. Das funktionierte gut genug, um das Messgerät neu zu definieren, war aber keine langfristige Lösung.

Betreten Sie den Frequenzkamm, ein mit dem Nobelpreis ausgezeichnetes Gerät und das Ergebnis jahrzehntelanger Forschung von NIST und anderen. Der Kamm erzeugt eine Milliarde Lichtimpulse pro Sekunde, die in einem optischen Hohlraum hin und her prallen. Dadurch entstehen Millionen von Spitzen optischer Frequenzen, die wie regenbogenfarbene Zähne auf einem Kamm aussehen (daher der Name). Der erste Zahn in diesem Kamm ist auf eine bekannte Frequenz eingestellt, was Wissenschaftlern einen Ausgangspunkt gibt, um die anderen Frequenzen zu lesen. Ähnlich wie bei einem Lineal können Sie ganz einfach mit dem Messen beginnen, wenn Sie wissen, dass die erste Markierung einen Millimeter lang ist und jede Markierung einen Millimeter voneinander entfernt ist. Da sie genau wissen, wie weit diese Frequenzen voneinander entfernt sind, können Wissenschaftler diese optischen Signale mit einer einfachen mathematischen Formel in Mikrowellen übersetzen und die beiden Enden des elektromagnetischen Spektrums verbinden. Dies öffnet viele Türen für die Forschung.

Die Wissenschaftler nutzten diese neue Technologie, um bessere Uhren herzustellen, und entwickelten schließlich Uhren, die 100-mal besser sind als die Cäsiumuhren, die für zivile Zeitstandards verwendet werden. Genauere und präzisere Uhren sind entscheidend für die GPS-Navigation, die auf präzise Zeitsignale angewiesen ist, um Ihren Standort zu bestimmen. Bessere Uhren haben auch Vorteile für die Forschung, von der Erkennung winziger Änderungen der Schwerkraft bis hin zur Untersuchung von Phänomenen der Quantenwelt und vielleicht zum Auffinden dunkler Materie. Diese Uhren können schließlich ändern, wie wir eine Sekunde definieren.

Alle Atome und Moleküle senden einzigartige Lichtfrequenzen aus, wenn sie zwischen Energiezuständen wechseln, nicht nur die Atome, die in Uhren verwendet werden. Wenn eine der Frequenzen des Kamms ein Atom oder Molekül mit genau derselben Frequenz trifft, können Wissenschaftler identifizieren, welche Art von Atom oder Molekül sie getroffen haben. Mit dem optischen Frequenzkamm konnten Wissenschaftler die Zusammensetzung von Sternen bis ins kleinste Detail untersuchen. Astrophysiker können feststellen, ob sie einen neuen Planeten gefunden haben, indem sie die Frequenzänderungen des Sternenlichts messen. Mithilfe von Frequenzkämmen können wir Lichtentfernungssysteme verbessern, die Licht von Objekten abprallen lassen, um sie wie Radar oder Sonar zu erkennen. Sie können Objekte durch Flammen sehen und helfen NIST-Wissenschaftlern zu untersuchen, wie Strukturen während eines Feuers versagen. Der Kamm wird auch verwendet, um selbst kleinste Mengen an Treibhausgasen in der Luft zu erkennen oder nach Krankheiten im menschlichen Atem zu suchen.