Quantengas für genauere Atomuhren

Boulder (USA) - Exakt tickende Atomuhren bilden die Grundlage für eine genaue Positionsbestimmung mit Satelliten und komplexe Experimente zur Überprüfung physikalischer Phänomene. Einen neuen Rekord für die Präzision einer Atomuhr stellten nun amerikanische Physiker auf und berichten darüber in der Fachzeitschrift „Science“. Dabei nutzten sie erstmals ein dreidimensionales Lichtgitter aus Laserstrahlen, mit dem sie etwa 10.000 Strontiumatome einfangen und kontrolliert vermessen konnten. Mit diesem so genannten Quantengas verringerten die Forscher die Ungenauigkeit auf einen Rekordwert von 5 x 10^-19. Das bedeutet, dass die neue Atomuhr innerhalb eines Jahrtausends nur eine Abweichung von wenigen Milliardstel Sekunden aufweist.

„Das wichtigste Potenzial des dreidimensionales Quantengases liegt in der größeren Anzahl an Atomen, wodurch sich die Stabilität deutlich verbessern ließ“, sagt Jun Ye vom National Institut of Standards and Technology in Boulder. Ye und Kollegen fingen dazu mit drei gekreuzten Laserpaaren 10.000 Strontiumatomen ein. Alle Atome ordneten sich dabei wie die Eier in einem Stapel aus Eierkartons an und bildeten ein Quantengas. In diesem konnten sie sich gegenseitig nicht stören, beispielsweise durch einzelne Zusammenstöße. Der Takt der optischen Atomuhr wurde durch einen elektronischen Übergang im Stromtiumatom vorgegeben.

Tiefgekühlt auf wenige Nanograd über dem absoluten Nullpunkt ließ sich die Frequenz eines Laser exakt auf diesen elektronischen Übergang zwischen zwei Energieniveaus des Strontiumatoms abstimmen und mit bisher unerreichter Präzision vermessen. Mit dieser Synchronisation ermittelten sie als Wert für die Frequenz 368,5547264 Terahertz. Eine Sekunde ergab sich entsprechend aus 368,5547264 Billionen Schwingungen.

Einzigartig ist bisher der dreidimensionale Aufbau der neuen Atomuhr. Damit konnten deutlich mehr Strontiumatome eingefangen werden als mit bisher genutzten zweidimensionalen optischen Gittern. Der Vorteil: Je mehr Strontiumatome gefangen und kontrolliert werden können, desto mehr Übergänge zwischen den beiden Energieniveaus können in einem festen Zeitraum vermessen werden.

Mit ihrem Prototyp einer dreidimenionalen optischen Atomuhr legten die Wissenschaftler eine wichtige Grundlage für noch genauere Atomuhren. So planen Ye und Kollegen, die Anzahl der eingefangenen Strontiumatome bis auf 100.000 zu erhöhen. Parallel könnte der würfelförmige Raum, den die Atome einnehmen weiter auf wenige Dutzend Mikrometer schrumpfen.