Großer Fortschritt bei der Atomuhr ebnet den Weg für ultrapräzise Zeitmessung

Die Zeit wird auf der ganzen Welt durch das Ticken von Atomuhren gemessen, doch derzeit wird ein neuer Uhrentyp entwickelt – eine Atomuhr –, der die Art und Weise, wie wir Zeit messen und grundlegende physikalische Phänomene erforschen, revolutionieren könnte.

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des JILA, einem gemeinsamen Institut des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado Boulder, hat wichtige Elemente einer Atomuhr demonstriert. Eine Atomuhr ist ein neuartiges Zeitmessgerät, das Signale aus dem Kern eines Atoms verwendet.

Das Team präsentiert die Ergebnisse in der Ausgabe vom 4. September der Zeitschrift Natur als Titelgeschichte.

Das Team verwendete einen speziell entwickelten Ultraviolettlaser, um die Frequenz eines Energiesprungs in Thoriumkernen, die in einen festen Kristall eingebettet sind, präzise zu messen. Sie verwendeten außerdem einen optischen Frequenzkamm, der wie ein äußerst präzises Lichtlineal funktioniert, um die Anzahl der Ultraviolettwellenzyklen zu zählen, die diesen Energiesprung erzeugen. Obwohl diese Labordemonstration keine vollständig entwickelte Kernuhr ist, enthält sie die gesamte Kerntechnologie für eine solche.

Atomuhren könnten viel genauer sein als die aktuellen Atomuhren, die die offizielle internationale Zeit angeben und eine wichtige Rolle bei Technologien wie GPS, Internetsynchronisierung und Finanztransaktionen spielen.

Für die breite Öffentlichkeit könnte diese Entwicklung letztlich noch präzisere Navigationssysteme (mit oder ohne GPS), schnellere Internetgeschwindigkeiten, zuverlässigere Netzwerkverbindungen und sicherere digitale Kommunikation bedeuten.

Über die alltägliche Technologie hinaus könnten Kernuhren die Überprüfung grundlegender Theorien über die Funktionsweise des Universums verbessern und möglicherweise zu neuen Entdeckungen in der Physik führen. Sie könnten helfen, dunkle Materie zu entdecken oder zu überprüfen, ob die Naturkonstanten wirklich konstant sind. So könnten Theorien der Teilchenphysik überprüft werden, ohne dass große Teilchenbeschleunigeranlagen erforderlich wären.

Laserpräzision in der Zeitmessung

Atomuhren messen die Zeit, indem sie Laserlicht auf Frequenzen einstellen, die Elektronen zwischen Energieniveaus springen lassen. Kernuhren würden Energiesprünge im winzigen zentralen Bereich eines Atoms, dem sogenannten Kern, nutzen, in dem sich Teilchen namens Protonen und Neutronen zusammendrängen.

Diese Energiesprünge sind so ähnlich wie das Umlegen eines Lichtschalters. Durch das Ausstrahlen von Laserlicht mit der genau für diesen Sprung benötigten Energiemenge kann dieser nukleare „Schalter“ umgelegt werden.

Eine Kernuhr hätte große Vorteile für die Genauigkeit der Uhr. Im Vergleich zu den Elektronen in Atomuhren wird der Kern viel weniger von äußeren Störungen wie Streufeldern beeinflusst. Das Laserlicht, das benötigt wird, um Energiesprünge in Kernen zu verursachen, hat eine viel höhere Frequenz als das für Atomuhren erforderliche.

Diese höhere Frequenz – also mehr Wellenzyklen pro Sekunde – steht in direktem Zusammenhang mit einer größeren Anzahl von „Ticks“ pro Sekunde und führt daher zu einer präziseren Zeitmessung.

Es ist jedoch sehr schwierig, eine Atomuhr zu bauen. Um Energiesprünge zu erzeugen, müssen die meisten Atomkerne von kohärenten Röntgenstrahlen (einer hochfrequenten Form von Licht) getroffen werden, deren Energien viel höher sind als jene, die mit der gegenwärtigen Technologie erzeugt werden können. Daher haben sich Wissenschaftler auf Thorium-229 konzentriert, ein Atom, dessen Kern einen geringeren Energiesprung aufweist als jedes andere bekannte Atom und das ultraviolettes Licht benötigt (das eine geringere Energie als Röntgenstrahlen hat).

1976 entdeckten Wissenschaftler diesen Energiesprung des Thoriums, der in der Physiksprache als „nuklearer Übergang“ bekannt ist. 2003 schlugen Wissenschaftler vor, diesen Übergang zu nutzen, um eine Uhr zu bauen, und konnten ihn erst 2016 direkt beobachten. Anfang dieses Jahres wurden zwei verschiedene Forschungsteams Sie verwendeten im Labor entwickelte Ultraviolettlaser, um den nuklearen „Schalter“ umzulegen und die dafür nötige Lichtwellenlänge zu messen.

In der neuen Arbeit erzeugen die JILA-Forscher und ihre Kollegen alle wesentlichen Teile einer Uhr: den Thorium-229-Kernübergang, der die „Ticks“ der Uhr erzeugt, einen Laser, der präzise Energiesprünge zwischen den einzelnen Quantenzuständen des Kerns erzeugt, und einen Frequenzkamm zur direkten Messung dieser „Ticks“.

Mit diesem Projekt wurde eine Genauigkeit erreicht, die eine Million Mal höher ist als bei den vorherigen wellenlängenbasierten Messungen. Darüber hinaus verglichen sie diese Ultraviolettfrequenz direkt mit der optischen Frequenz, die in einer der genauesten Atomuhren der Welt verwendet wird, die Strontiumatome verwendet. Damit stellten sie die erste direkte Frequenzverbindung zwischen einem Kernübergang und einer Atomuhr her.

Diese direkte Frequenzverbindung und die höhere Präzision sind ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung der Kernuhr und ihrer Integration in bestehende Zeitmesssysteme.

Die Forschung hat bereits beispiellose Ergebnisse erbracht. Dazu gehört die Fähigkeit, Details in der Form des Thoriumkerns zu erkennen, die noch nie jemand zuvor bemerkt hatte – es ist, als würde man einzelne Grashalme aus einem Flugzeug sehen.

Auf dem Weg in eine nukleare Zukunft

Dies ist zwar noch keine funktionierende Atomuhr, aber ein entscheidender Schritt hin zur Entwicklung einer solchen Uhr, die sowohl tragbar als auch hochstabil sein könnte. Die Verwendung von Thorium, eingebettet in einen festen Kristall, in Kombination mit der geringeren Empfindlichkeit des Atomkerns gegenüber äußeren Störungen, ebnet den Weg für potenziell kompakte und robuste Zeitmessgeräte.

„Stellen Sie sich eine Armbanduhr vor, die keine Sekunde verliert, selbst wenn Sie sie Milliarden von Jahren laufen lassen würden“, sagte Jun Ye, Physiker bei NIST und JILA. „Wir sind zwar noch nicht ganz so weit, aber diese Forschung bringt uns diesem Präzisionsgrad näher.“

Zum Forschungsteam gehörten Forscher von JILA, einem gemeinsamen Institut des NIST und der University of Colorado Boulder, dem Vienna Center for Quantum Science and Technology sowie IMRA America, Inc.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von NIST erneut veröffentlicht. Lesen Sie die Originalgeschichte Hier.