Yuan-Yu Jau möchte die kleinste Atomuhr der Welt bauen, ein Gerät, das die Zeit mit äußerster Genauigkeit misst. Im Erfolgsfall haben er und sein Team bei Sandia einen kleiner als einen Würfelzucker hergestellt.
Aber er ist nicht der Einzige, der die Grenzen winziger Zeitmesser auslotet.
Letztes Jahr forderte die Defense Advanced Research Projects Agency Forschungsteams dazu auf, kleinere, genauere Uhren zu bauen. Yuan-Yu leitet das Sandia-Team, das an diesem Projekt beteiligt ist.
„Sie wollen für alles 1 Kubikzentimeter, und derzeit gibt es keine Atomuhr dieser Größe“, sagte Yuan-Yu, deren Kerndesign noch kleiner ist – etwa 1 Zentimeter lang und nur 2 Millimeter breit und hoch, für einen Riesen insgesamt 0,04 Kubikzentimeter. DARPA forderte, dass die Geräte nach einer Woche eine Genauigkeit von einer Millionstelsekunde aufweisen.
Sandia hat Erfahrung im Bau kompakter Uhren. In den frühen 2000er Jahren halfen die Labore bei der Entwicklung der Chip-Scale-Atomuhr, die kaum größer als ein Streichholzschachtel, also etwa 17 Kubikzentimeter, ist. CSAC war damals die kleinste Atomuhr der Welt und ist immer noch die kleinste, die man kaufen kann.
Miniaturuhren ermöglichen fortschrittliche Navigationstechnologie
Die Atomuhr wurde 1948 im damaligen US-amerikanischen National Bureau of Standards, dem heutigen National Institute of Standards and Technology, erfunden. Anstatt die Zeit durch astronomische Ereignisse wie die Erdrotation oder durch mechanische Mittel wie Zahnräder, Federn oder Pendel zu messen, maß es die Zeit anhand elektromagnetischer Signale, die von Elektronen um ein Atom herum ausgesendet wurden, was es unglaublich präzise machte.
Atomuhren ebneten den Weg für GPS, das auf hochpräzisen, synchronisierten Uhren basiert.
Ironischerweise untersucht DARPA derzeit kleine, genaue Uhren, um Fahrzeugen bei der Navigation zu helfen, wenn kein GPS verfügbar ist. Das funktioniert so, als würde man die Distanz berechnen, die man mit einem Auto auf einer langen Autobahnstrecke zurücklegt. Wenn Sie konstant 60 Meilen pro Stunde fahren, wissen Sie nach einer Stunde, dass Sie 60 Meilen zurückgelegt haben. Eine zuverlässige Uhr ist die halbe Miete.
Für Verteidigungsanwendungen muss die Navigation äußerst präzise sein. DARPA sucht nach Uhren, die bis zu einer Woche auf die Millionstelsekunde genau sind. Während die besten Uhren der Welt große Maschinen sind, die diese Genauigkeit über Zehntausende von Jahren aufrechterhalten können, sind Versionen im Taschenformat weniger genau. Das Ziel von Sandia und DARPA besteht darin, 30-mal genauer zu sein als aktuelle Kleinuhren auf dem neuesten Stand der Technik.
Die Behörde fordert außerdem Verbesserungen beim Stromverbrauch und der Empfindlichkeit gegenüber Temperatur und Vibration.
„Das ist eine viel größere Herausforderung als das, was die Leute bisher getan haben“, sagte Yuan-Yu.
Durch die Reduzierung von Größe, Gewicht und Leistung können fortschrittliche Navigationssysteme einfacher in verschiedenen Fahrzeugtypen eingesetzt werden – von Marineschiffen bis hin zu Drohnen und Satelliten.
Uhrendesign basierend auf einem 16 Jahre alten Prototyp
Yuan-Yu ist zuversichtlich, dass er und sein Team das Gerät bauen können. In gewisser Weise hat er es bereits getan.
Vor 16 Jahren baute er, damals Physikdozent an der Princeton University, seinen ersten Prototyp eines sogenannten Laser-Atomoszillators. Es hatte etwa die Größe eines Werkzeugkastens, übte jedoch die gleichen grundlegenden Funktionen aus wie eine Atomuhr. Es erzeugte einen gleichmäßigen, uhrähnlichen Puls, der dadurch entstand, dass ein Laser durch eine Wolke aus Kaliumatomen gestrahlt wurde.
Wichtig war, dass es in sich geschlossen war. Der Oszillator benötigte keine externe elektronische Ausrüstung, um den periodischen Impuls der Maschine zu steuern.
Unterstützungshardware ist in vielen Arten von Atomuhren üblich und nimmt normalerweise den meisten Platz ein. Wenn Sie die unterstützende Elektronik von einem CSAC in Streichholzschachtelgröße entfernen würden, würden Sie feststellen, dass das physische Ticken in einem Paket stattfindet, das nur etwa die Größe eines Reiskorns hat.
Yuan-Yu sagte, sein Prototyp sei nur deshalb so groß gewesen, weil eine große Maschine einfacher zu bauen sei als eine kleine: „Weißt du, mit meinen Wurstfingern.“
Jetzt hat er die Werkzeuge, um es kleiner zu machen.
Team baut Gerät im Mikroelektronikwerk Sandia
Yuan-Yu plant, Kaliumatome durch Cäsium zu ersetzen und sein ursprüngliches Design mithilfe von Maschinen und Werkzeugen im Microsystems Engineering, Science and Applications Complex von Sandia, einer hybriden Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionsanlage für Mikroelektronik, zu verkleinern.
Da sein Design keine Peripherie-Hardware benötigt, glaubt er, dass er die Größe, das Gewicht und den Energiebedarf von Atomuhren drastisch reduzieren kann.
„Wir werden nur das Volumen des Physikpakets nutzen, das in der bestehenden CSAC-Uhr vorhanden ist, aber wir werden die komplizierte Elektronik drumherum loswerden“, sagte Yuan-Yu.