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Bessere Atomuhren 520 Billionen Mal ticken

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.

© AP Welche Uhr tickt richtig?

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.

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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.

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

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.

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 © Nist Vergrößern Ionenfalle der Aluminium-Atomuhr

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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