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Enthalten in PTB-Mitteilungen. 128. Jahrgang, Heft 3, Dezember 2018. ISSN 0030-834X, Die Fortschritte, die in den letzten Jahren in der Entwicklung von optischen Uhren erzielt wurden, sind spektakulär und es scheint bei den am weitesten fortgeschrittenen Systemen auch bisher keine harte Begrenzung der erreichbaren Genauigkeit in Sicht zu sein. Dennoch, oder vielleicht auch deswegen, hat sich ein großes Interesse entwickelt, noch weitere und andersartige Ansätze für Atomuhren zu erforschen und den Kreis der untersuchten physikalischen Systeme auszuweiten. Die experimentellen Methoden der Speicherung und Laserkühlung von Atomen und Ionen sind so weit entwickelt, dass sie erfolgreich auf immer größere Gruppen von chemischen Elementen angewandt werden konnten. Bei gespeicherten Ionen ermöglicht das Gleichgewicht aus Coulomb-Abstoßung und der einschließenden Kraft einer Ionenfalle die Bildung von stabilen Strukturen unterschiedlicher Ionen, die in ihren inneren und äußeren Freiheitsgraden bis in den Quantenbereich kontrolliert und damit für Frequenzmessungen höchster Präzision verwendet werden können. Die mit einer größeren Ionenzahl erreichbare höhere Stabilität soll in der Multi-Ionen-Uhr ausgenutzt werden, die im ersten Abschnitt dieses Artikels eingeführt wird. Anschließend werden zwei physikalische Systeme mit großem Potenzial für präzise Uhren vorgestellt: hochgeladene Ionen und der Atomkern Thorium-229, der eine optische Resonanzfrequenz besitzt. Neben der Aussicht auf neue Uhren sehr hoher Genauigkeit begründen auch die Möglichkeiten für Tests fundamentaler Physik das Interesse an diesem Forschungsgebiet. Hochpräzise Frequenzvergleiche sollen genutzt werden, um nach kleinen Abweichungen von den Vorhersagen der etablierten physikalischen Theorien zu suchen, hervorgerufen von erwarteten Effekten „Neuer Physik“, wie zum Beispiel einer zeitlichen Veränderung von Naturkonstanten oder einer Kopplung der Uhren an die rätselhafte „Dunkle Materie“. Die hier vorgestellten, neuen Systeme zeichnen sich durch besonders hohe Empfindlichkeiten für solche Tests aus. Der Vergleich physikalisch möglichst unterschiedlicher Uhren erhöht die Wahrscheinlichkeit, wirklich neue Effekte nachzuweisen, und wird es erlauben, sie von experimentellen Störungen zu unterscheiden.

PTB-Mitteilungen. Band 128 (2018), Heft 3. ISSN 0030-834X

We describe the principle and the status of the PVLAS experiment which is presently running at the INFN section of Ferrara, Italy, to detect the magnetic birefringence of vacuum. This is related to the QED vacuum structure and can be detected by measuring the ellipticity acquired by a linearly polarized light beam propagating through a strong magnetic field. Such an effect is predicted by the Euler-Heisenberg Lagrangian. The method is also sensitive to other hypothetical physical effects such as axion-like particles and in general to any fermion/boson millicharged particle. Here we report on the construction of our apparatus based on a high finesse ($>2\cdot10^5$) Fabry-Perot cavity and two 0.9 m long 2.5 T permanent dipole rotating magnets, and on the measurements performed on a scaled down test setup. With the test setup we have improved by about a factor 2 the limit on the parameter $A_e$ describing non linear electrodynamic effects in vacuum: $A_e < 2.9\cdot10^{-21}$ T$^{-2}$ @ 95% c.l., 18 pages, 6 figures. Accepted for publication in the Proceedings of the QFEXT11 Benasque Conference

Nonlinear effects in vacuum have been predicted but never observed yet directly. The PVLAS collaboration has long been working on an apparatus aimed at detecting such effects by measuring vacuum magnetic birefringence. Unfortunately the sensitivity has been affected by unaccounted noise and systematics since the beginning. A new small prototype ellipsometer has been designed and characterized at the Department of Physics of the University of Ferrara, Italy entirely mounted on a single seismically isolated optical bench. With a finesse F = 414,000 and a cavity length L = 0.5 m we have reached the sensitivity of ψ = 2 ⋅ 10 − 8 1 / Hz given the laser power at the output of the ellipsometer of P = 24 mW. This record result, very close to the predicted limit, demonstrates the feasibility of reaching such sensitivities, and opens the way to designing a dedicated apparatus for a first detection of vacuum magnetic birefringence.