Hochpräzise Atomuhren

Hochpräzise Atomuhren

Eine Atomuhr ist eine Uhr, deren Zeittakt aus der charakteristischen Frequenz von Strahlungsübergängen der Elektronen freier Atome abgeleitet wird. Die Zeitanzeige einer Referenzuhr wird fortwährend mit dem Taktgeber verglichen und angepasst. Atomuhren sind derzeit die genauesten Uhren und werden auch primäre Uhren genannt.
Die Messwerte von über 260 Atomuhren an über 60 weltweit verteilten Zeitinstituten werden durch GPS-Zeitvergleiche, inzwischen zunehmend durch Zweiweg-Zeit- und Frequenzvergleiche verglichen. Die Ergebnisse werden dem Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) übermittelt, das aus ihnen einen gewichteten Durchschnitt bildet, der die Grundlage der Internationalen Atomzeit (TAI) ist, die von der BIPM veröffentlicht wird.
Die Grundlagen der Atomuhr wurden von dem US-amerikanischen Physiker Isidor Isaac Rabi an der Columbia University entwickelt, der dafür 1944 den Nobelpreis für Physik erhielt. Ein weiterer Nobelpreis im Zusammenhang mit Atomuhren wurde 1989 an den US-amerikanischen Physiker Norman Ramsey für die Verbesserung der Messtechnik bei atomaren Energieübergängen verliehen.

Geschichte und Entwicklung

Aufbauend auf seine in den 1930er-Jahren durchgeführten Untersuchungen zu Magnetresonanzverfahren, regte 1945 der US-amerikanische Physiker Isidor Isaac Rabi den Bau einer Atomuhr an. Eine erste Atomuhr wurde 1949 im National Bureau of Standards (NBS) in den Vereinigten Staaten unter Verwendung von Ammoniak-Molekülen als Schwingungsquelle von Harold Lyons konstruiert. Da sie aber noch nicht den erhofften Genauigkeitsgewinn erbrachte, wurde die Uhr drei Jahre später überarbeitet und auf die Verwendung von Cäsiumatomen umgerüstet. Sie erhielt den Namen NBS-1.
1955 folgte dann eine noch genauere Cäsiumuhr vom Physiker Louis Essen und J. V. L. Parry am National Physical Laboratory in Großbritannien.
Aufgrund der hervorragenden Gangergebnisse dieser Uhren wurde die Atomzeit als internationaler Standard für die Sekunde definiert. Seit Oktober 1967 beträgt die Zeitdauer einer Sekunde im internationalen Einheitensystem per Definition das 9.192.631.770-Fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.
Im Laufe der Jahre wurde die Genauigkeit der Atomuhren immer wieder verbessert. Bis Ende der 1990er-Jahre wurde eine relative Standardabweichung zur idealen SI-Sekunde von etwa 5·10−15 erreicht, Anfang 2015 waren es bereits 5·10−18.
Eine weitere Steigerung der Genauigkeit wird von einer Uhr erwartet, die das angeregte Niveau eines Atomkerns statt der Atomhülle nutzt. Dafür darf die Anregungsenergie nur einige Elektronenvolt betragen, ein für Kerne extrem kleiner Wert. Kürzlich wurde ein erster Kandidat für ein nutzbares Niveau im Isotop Thorium-229 so genau vermessen, dass der Bau einer solchen genaueren Kernuhr in den Bereich der Möglichkeiten rücken könnte.

Hochpräzise Atomuhren

Cäsium, Rubidium, Wasserstoff und neuerdings Strontium sind die gängigsten Atome, mit denen Atomuhren betrieben werden. Neben Cäsium, Rubidium und Wasserstoff werden aber auch andere Atome oder Moleküle für Atomuhren verwendet.

Cäsium-Fontäne

In neueren Atomuhren arbeitet man mit thermisch abgebremsten Atomen, um die Genauigkeit zu erhöhen. In der „Cäsium-Fontäne“ werden Cäsiumatome dazu stark abgekühlt, sodass sie nur noch etwa einen Zentimeter pro Sekunde schnell sind. Die langsamen Atome werden dann mit einem Laser nach oben beschleunigt und durchlaufen eine ballistische Flugbahn (deswegen der Ausdruck Cäsium-Fontäne), hierdurch kann die effektive Wechselwirkungsdauer der Atome mit den eingestrahlten Mikrowellen verlängert werden, was eine exaktere Frequenzbestimmung erlaubt. Die relative Standardabweichung der Cäsium-Fontäne NIST-F1 lag im Jahr 1999 bei nur etwa 10−15, was einer Abweichung von einer Sekunde in 20 Millionen Jahren entspricht.

Optische Uhren

In einer Atomuhr wird die Frequenz einer atomaren Resonanz gemessen. Dies gelingt umso genauer, je höher die Frequenz der Resonanz ist. Sichtbares Licht hat eine etwa 50.000-fach höhere Frequenz als die beim Cäsium genutzte Mikrowellenstrahlung. Eine Atomuhr, die mit einer optischen Resonanz arbeitet, kann aus diesem Grund deutlich genauer sein. Seit einigen Jahren wird daher an der Realisierung einer optischen Atomuhr gearbeitet, die eine höhere Genauigkeit aufweist als die aktuell genutzten Cäsiumuhren.
Zu diesem Zweck werden Experimente mit Elementen gemacht, die geeignete Übergänge bei optischen Wellenlängen haben. Hierdurch erreicht man Frequenzen von hunderten Terahertz an Stelle der herkömmlichen 9 GHz. In diesen Experimenten werden einzelne Atome in einem Ionenkäfig gespeichert. Ein Laser wird auf einem schmalbandigen Übergang stabilisiert. Die Stabilität der Frequenz dieses Laserlichts wird anschließend ohne Genauigkeitsverlust auf ein periodisches elektrisches Signal übertragen. Dies gelingt mit einem Frequenzkamm. Als Frequenz für das Signal sind 10 MHz üblich.
Die genaueste Atomuhr der Welt wurde übrigens 2015 von Wissenschaftlern der University of Colorado und dem National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder entwickelt. In 15 Milliarden Jahren ginge die Uhr nur eine Sekunde nach.

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