Strontium-Atomuhr: Über 15 Milliarden Jahre lang im genauen Sekundentakt

Boulder (USA) - Die weltweit genaueste Uhr tickt derzeit in einem amerikanischen Labor an der University of Colorado in Boulder. Dank der Schwingungen von Stromtiumatomen geht die Atomuhr innerhalb von 15 Milliarden Jahre höchstens eine einzige Sekunden falsch. Wie die Forscher im Fachblatt „Nature Communications“ berichten, konnten sie damit die Ganggenauigkeit der Stromtium-Atomuhr nach einem Rekord vor über einem Jahr noch einmal um das Dreifache verbessern. Solche genauen Zeitmessungen sind für verschiedene Anwendungen von der Satellitennavigation bis zur Analyse quantenphysikalischer Phänomene interessant.

„Bessere Atomuhren eröffnen auch Chancen für neuartige Technologien wie etwa hoch empfindliche Quantensensoren“, sagt Jun Ye, Leiter der Forschergruppe am JILA-Institut, in dem Wissenschaftler der University of Colorado und vom National Institute of Standards and Technology (NIST) zusammenarbeiten. Für ihren neuen Rekord nutzten Ye und Kollegen ein optisches Gitter aus Laserstrahlen. In diesem nur 30 auf 30 Mikrometer kleinen Areal innerhalb einer Vakuumkammer sperrten sie einige tausend Stromtiumatome ein. Diese Atome wurden mit einem weiteren Laser mit 698 Nanometer Wellenlänge (rot) zu Schwingungen zwischen zwei Energiezuständen (1S0->3P0) resonant angeregt. Dabei gelang es den Forschern, die Wellenlänge des Lasers sehr genau an die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen anzupassen. Und je besser der anregende Laser diese Resonanz-Bedingungen erfüllte, desto genauere Zeitmessungen waren möglich.

Diese resonanten Schwingungen reagieren allerdings sehr empfindlich auf Wärme in der direkten Umgebung. Schon geringe Temperaturschwankungen können die Resonanz-Bedingungen etwa verändern. Um diese Fehlerquelle für eine exakte Zeitmessung zu minimieren, schirmten die Forscher das optische Gitter mit den Strontium-Atomen gegen Wärmestrahlung ab. Zusätzlich installierten sie zwei hoch empfindliche Thermometer in der Nähe des Gitters, um jede mögliche Temperaturschwankung kontrollieren zu können. Beide Maßnahmen waren wesentlich für die nun erzielte Ganggenauigkeit der Atomuhr verantwortlich.

Mit diesem Rekord gehen Atomuhren so genau, um sie sogar für Höhenmessungen über die relativistische Geodäsie nutzen zu können. Denn nach der Relativitätstheorie von Albert Einstein vergeht die Zeit mit zunehmender Höhe über der Erdoberfläche etwas schneller. Verantwortlich dafür sind winzige Veränderungen der wirkenden Schwerkraft. Laut Jan Ye ticke die neue Strontium-Atomuhr so genau, dass sie diese Zeitunterschiede noch messen kann, wenn sie nur zwei Zentimeter angehoben werde.

Mit ihrer Strontium-Atomuhr stehen die JILA-Forscher im stetigen Wettlauf mit anderen Instituten weltweit, etwa der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) oder dem Quantum Metrology Laboratory der japanischen Forschungsgemeinschaft Riken. So erreichten Riken-Forscher schon vor wenigen Monaten eine vergleichbare Ganggenauigkeit wie ihre amerikanischen Kollegen. Allerdings nutzten sie dazu zwei miteinander gekoppelte Stromtium-Atomuhren. Diese Kopplung erlaubte einen stetigen Abgleich der Zeitmessung beider Uhren, über den der Messfehler reduziert werden konnte.