Bessere Atomuhren

520 Billionen Mal ticken

Von Manfred Lindinger
30.08.2013
, 08:00
Welche Uhr tickt richtig?
Die Cäsium-Atomuhr ist ausgereizt. Will man exaktere Taktgeber, muss man Atomuhren auf optischer Basis bauen. Jetzt haben amerikanische Forscher ein Chronometer entwickelt, das in 20 Milliarden Jahren nur eine Sekunde nachgehen würde.
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Cäsium-Atomuhren zählen zu den präzisesten Chronometern der Welt. Sie gehen in hundert Millionen Jahren gerade mal um eine Sekunde nach. Was für den Hausgebrauch mehr als ausreicht, könnte für einige technische und wissenschaftliche Fragestellungen durchaus noch genauer sein. So hängt sowohl die Überprüfung fundamentaler physikalischer Größen und Naturgesetze als auch die genaue Positionsbestimmung von Satelliten von exakt tickenden Taktgebern ab. Nun haben amerikanische Forscher eine optische Atomuhr gebaut, die um ein Vielfaches genauer tickt als die derzeit besten existierenden Chronometer und extrem stabil läuft.

Bei einer Cäsium-Atomuhr wird registriert, wie oft ein Elektron in der Hülle eines Cäsiumatoms von einem bestimmten Energieniveau zu einem anderen wechselt. Beim Isotop Cäsium-133 ist das genau 9 192 631 770 Mal pro Sekunde der Fall. Weil Frequenzen atomarer Schwingungen physikalische Größen sind, die heute mit höchster Präzision gemessen werden können, nutzt das „Bureau International des Poids et Mesures“ in Paris, das für das Internationale Einheitensystem (SI) verantwortlich ist, die von Cäsium-133 erzeugte Mikrowellenstrahlung als Referenz zur Definition der Sekunde. Doch die Cäsium-Atomuhren sind technisch ziemlich ausgereizt, so dass man keine weitere Steigerung der Präzision erwarten kann.

Die Cäsium-Atomuhr CS2 der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in  Braunschweig.
Die Cäsium-Atomuhr CS2 der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Bild: AP

Seit Jahren suchen die Forscher nach geeignetem Ersatz. Sie wollen als Taktgeber statt der emittierten Mikrowellenstrahlung das von Ionen oder Atomen ausgesandte Licht verwenden. Weil dieses gut 100 000 Mal so schnell oszilliert wie Mikrowellenstrahlung, lässt sich die Genauigkeit von Atomuhren um einige Größenordnungen steigern. Vor zwei Jahren haben Forscher vom National Institute of Standards and Technology (Nist) in Boulder eine optische Atomuhr ersonnen, die aus einem positiv geladenen Aluminiumion bestand, das man in einer Teilchenfalle von störenden Einflüssen isoliert hatte. Da Aluminium einen Elektronenübergang besitzt, der sichtbares Licht abstrahlt, dessen Frequenz um ein Vielfaches größer ist als diejenige von Mikrowellenstrahlung, erwies sich das Metall als schnellerer und damit besserer Taktgeber als Cäsium.

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Frostiger Partner sorgt für den richtigen Takt

Allerdings war es äußerst schwierig, das Metallion auf die für eine akkurate Zeitmessung notwendige tiefe Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt zu kühlen. Man musste ihm ein vergleichsweise leicht zu kühlendes Magnesiumion zur Seite stellen, das die restliche Wärmeenergie aufnahm. Das Teilchenduo erwies sich als Taktgeber schließlich doppelt so genau wie die besten Cäsium-Atomuhren. Allerdings verlangt es einigen technischen Aufwand, die beiden Ionen in ein und derselben Teilchenfalle festzuhalten und zu kontrollieren.

Ionenfalle der Aluminium-Atomuhr
Ionenfalle der Aluminium-Atomuhr Bild: Nist

Das Erreichte ist vielen Forschern aber noch immer nicht genau genug. Sie sind deshalb auf neutrale Atome ausgewichen, die man zu Tausenden mit gekreuzten Laserstrahlen in einem periodischen Gitter festhält und zur Ruhe bringt. Das Gitter wirkt wie unzählige kleine Fallen, in dem jeweils ein Atom sitzt, das von der Umgebung isoliert ist. Um die Frequenz des optischen Übergangs zu messen, bestrahlt man alle Atome gleichzeitig mit Laserlicht und variiert dessen Frequenz so lange, bis die Teilchen in Resonanz sind. Da man viele tausend Taktgeber vorliegen hat, erreicht man eine deutlich größere Messgenauigkeit - zumindest ist sie kleiner, wenn man nur mit einem einzelnen Ion arbeitet, wie es bei herkömmlichen Atomuhren üblich ist.

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Strontiumatome im Eierkarton

Mit in einem Lichtgitter gefangenen Strontiumatomen haben jüngst Forscher um Jérôme Lodewyck vom Observatoire de Paris einen großen Fortschritt erzielt. Ihre beiden Atomuhren wiesen im direkten Vergleich eine Gangungenauigkeit von nur einer Sekunde in zwei Milliarden Jahren auf (“Nature Communication“, doi: 10.1038/ncomms3109). Durch technische Verbesserungen hoffen die Forscher, noch unberücksichtigte Messfehler verringern und so ihren Strontium-Chronometer noch zuverlässiger machen zu können.

Illustration: Zwei Laserstrahlen erzeugen ein Lichtgitter, in dem Ytterbium-Atomen gefangen sind.
Illustration: Zwei Laserstrahlen erzeugen ein Lichtgitter, in dem Ytterbium-Atomen gefangen sind. Bild: Nist

Einen neuen Rekord hat nun eine Forschergruppe um Andrew Ludlow vom National Institute of Standards and Technology aufgestellt. Ihre optische Atomuhr tickt so exakt, dass sie in rund zwanzig Milliarden Jahren nur eine Sekunde nachgehen würde (“Science“, doi: 10.1126/science.1240 420). Das ist um den Faktor 10 besser als der Taktgeber von Lodewyck und um einen Faktor 200 genauer als die besten Cäsium-Atomuhren.

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Der Trick mit den gekoppelten Lichtgittern

Statt mit Strontiumatomen experimentierten die amerikanischen Forscher mit Ytterbiumatomen. Zehntausend davon sperrten sie in ein Lichtgitter und kühlten diese nahe an den absoluten Nullpunkt. Nach entsprechender optischer Anregung von zwei Energieniveaus emittierten die Ytterbium-Atome Lichtpulse, deren Frequenz die Physiker ermittelten und als Taktgeber nutzen. Die Uhr von Ludlow und seinen Kollegen tickte rund 520 Billionen Mal pro Sekunde. Um die Stabilität der Ytterbium-Atomuhr zu testen, koppelten sie diese mit einem zweiten baugleichen Chronometer und verglichen die Frequenzen der Lichtpulse, die jeweils von einem Atomen-Ensemble ausgesandt wurden. Das Ergebnis war verblüffend: Nach sieben Stunden wichen die beiden Frequenzen erst in der 18 Nachkommastelle vonaneinander ab. Zum Vergleich: Die Cäsium-Atomuhren, die die Weltzeit definieren, schlagen nur bis auf die 15 Stelle hinter dem Komma exakt im Takt.

Das ist die genaueste Atomuhr.
Das ist die genaueste Atomuhr. Bild: AFP

“Die Stabilität der Ytterbium-Uhr öffnet die Tür zu einigen spannenden und aufregenden Anwendungen“, sagt Andrew Ludlow. So wäre es möglich, mit einer bislang nicht gekannten Präzision die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie sowie der Quantenelektrodynamik zu prüfen. Außerdem ließen sich eventuelle zeitliche Variationen von Naturkonstanten nachweisen. So glauben einige Wissenschaftler immer wieder Hinweise gefunden zu haben, dass sich die Feinstrukturkonstante im Laufe der Entwicklung des Universums verändert hat. Die Feinstrukturkonstante ist eine von der Lichtgeschwindigkeit, dem Planckschen Wirkungsquantum und der Elektronenladung abhängige Größe und für die elektromagnetische Wechselwirkung von fundamentaler Bedeutung. Mit einer extrem präzisen Atomuhr könnte man die geringsten Abweichungen zwischen theoretischen und experimentellen Werten aufspüren.

Bis es aber zu einer Neudefinition der Sekunde kommt, müssen die Atomuhren der neuen Generation erst beweisen, dass sie so robust sind wie die altgedienten Cäsium-Chronometer. Vor allem müssen die Messergebnisse und aufgestellten Präzisionsrekorde auch in anderen Laboratorien der Welt reproduziert und bestätigt werden.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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