Optische Atomuhr tickt 16 Milliarden Jahre lang auf die Sekunde genau

Saitama (Japan) - Der Takt von Atomuhren regelt die weltweit genormte Zeit und erlaubt genaue Ortsbestimmungen per Satellit. Die ausgereiften Atomuhren der GPS-Satelliten gehen nur etwa eine Sekunde in einer Million Jahre falsch. Dennoch arbeiten Physiker an neuen, noch vielfach exakteren Zeitmessern. Mit der neuen Generation optischer Strontium-Atomuhren erreichten japanische Wissenschaftler nun eine reproduzierbare Ganggenauigkeit von 2 x 10 hoch -18 – das entspricht einem Fehler von einer Sekunde etwa alle 16 Milliarden Jahre. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ berichten, konnten sie zudem eine wichtige Fehlerquelle für die Zeitmessung genau bestimmen und damit berechenbar machen.

Strontium-Uhren ticken genauer als die weit verbreiteten Cäsium-Uhren, da sie die höhere Frequenz eines schnellen Elektronenübergangs nutzen. Mehr als 400 Billionen Mal pro Sekunde senden die angeregten Strontiumatome messbare Lichtpulse aus. Dieser schnelle Takt legt die Grundlage für die extrem genaue Zeitmessung. Allerdings müssen Strontiumatome fast auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt und in einem Lichtgitter aus sich kreuzenden Laserstrahlen festgehalten werden. Nach diesem Konzept bauten Hidetoshi Katori und seine Kollegen vom Quantum Metrology Laboratory der japanischen Forschungsgemeinschaft Riken zwei Strontium-Uhren, um über Vergleichsmessungen deren hohe Ganggenauigkeit bestätigen zu können.

Bei ihren Versuchen widmete sich die Arbeitsgruppe um Katori besonders einer Fehlerquelle, die die empfindliche Zeitmessung stört. So beeinflusst die Wärme, die die gesamte Atomuhr-Konstruktion abstrahlt, den genauen Takt der ausgesendeten Lichtpulse. Da sich dieser Fehlerfaktor nicht vermeiden ließ, wollten Katori und Kollegen ihn zumindest exakt bestimmen. Das gelang ihnen, indem sie das Verhalten der Strontiumatome über einen Temperaturbereich zwischen minus 178 und 27 Grad analysierten. Ergebnis war eine Art Eichkurve, mit der nun der Takt von unterschiedlich warmen Strontium-Uhren korrigiert und damit vergleichbar werden könnte.

„Das ist ein wichtiger Punkt, um die Genauigkeit dieser Atomuhren noch weiter zu verbessern“, sagt Katori. Zudem seien seine Ergebnisse auch auf andere Taktsysteme, die auf Ytterbiumatomen basieren, übertragbar. Die aktuellen Resultate bestätigten zudem die Wärmeabhängigkeit der Ganggenauigkeit durch die sogenannte Schwarzkörperstrahlung, die Forscher der Physikalischen Technischen Bundesanstalt in Braunschweig bereits vor wenigen Jahren ermittelt hatten.

Trotz dieses Erfolgs kann es noch Jahre dauern, bis optische Atomuhren auf der Basis von Strontium- oder Ytterbiumatomen als viel genauere und offizielle Taktgeber genutzt werden könnten. Denn neben der Wärmestrahlung gibt es noch weitere systematische Fehlerquellen wie etwa der Einfluss der vom Standort abhängigen Schwerkraft. „Um diesen Effekt beziffern und beherrschen zu können, arbeiten wir derzeit mit zwei optischen Atomuhren, die 15 Kilometer voneinander entfernt sind“, sagt Katori. Sobald aus diesen Versuchen Ergebnisse vorliegen, werden die Zeitmessungen verschiedener Strontium-Uhren noch besser vergleichbar werden.