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Eine präzise optische Atomuhr

Laserschwingung von einzelnem Quecksilberatom stabilisiert

Von Rainer Scharf

Eine neuartige Atomuhr, die wesentlich genauer ist als die Cäsiumuhren, mit denen bislang der Zeitstandard festgelegt wird, haben Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (Nist) in Boulder/Colorado entwickelt. Bei den Cäsiumuhren wird die Schwingung eines elektrischen Schwingkreises fortwährend mit einer charakteristischen Mikrowellenschwingung von Cäsiumatomen verglichen und bei der geringsten Abweichung sofort korrigiert. Die Zeit wird dadurch ermittelt, daß man die Schwingungszyklen des Schwingkreises zählt. Während die besten Atomuhren in dreißig Millionen Jahren auf eine Sekunde genau gehen, kann die neue Atomuhr im Prinzip eine Genauigkeit von einer Sekunde in zehn Milliarden Jahren erreichen.

Wie die Forscher in der Online-Ausgaben der Zeitschrift "Science" berichten, werden bei der Atomuhr die Schwingungen eines Lichtfeldes verwendet. Die optischen Oszillationen sind 100 000mal so schnell sind wie Mikrowellenschwingungen. Sie erlaubt deshalb eine wesentlich präzisere Zeitmessung. Die "Lichtschwingungen" werden von einem Farbstofflaser erzeugt und mit einer bestimmten optischen Schwingung eines einzelnen Quecksilberions verglichen, das dazu die ganze Zeit in einer Ionenfalle isoliert und weitgehend von störenden Umwelteinflüssen abgeschirmt ist. Weil es zudem nahezu ruht, ist die Frequenz der optischen Schwingung des Ions, die man zur Zeitmessung nutzt, genau bekannt. Weicht die Frequenz des Laserlichtes von der des Quecksilberions ab, wird sie über einen Regelkreis nachjustiert.

Die schnellen optischen Schwingungen können nicht mehr wie die langsameren Mikrowellenschwingungen auf elektronischem Wege gezählt werden. Die Forscher des National Institute of Standards and Technology mußten deshalb auf eine Technik zurückgreifen, die man am Max-Planck-Institut für Quantenoptik bei Garching entwickelt hat. Die Laserschwingung, deren Frequenz man bestimmen wollte, wurde mit einem sogenannten Frequenzkamm verglichen. Dieser Kamm enthielt eine enorme Zahl von Frequenzen, die gleichmäßig über das ganze optische Spektrum verteilt waren. Der "Abstand" benachbarter Frequenzen lag im Mikrowellenbereich. Zur Bestimmung der Frequenz der Laserstrahlung ermittelte man zunächst diejenige Frequenz, die ihr am nächsten kam. Dann bestimmte man ihre Differenz auf elektronischem Wege. Auf diese Weise gelang es, rund eine Billiarde Schwingungszyklen pro Sekunde einzeln zu zählen.

Die enorme Genauigkeit der optischen Atomuhr wird zahlreiche Anwendungen eröffnen. Davon sind die Forscher des National Institute of Standards and Technology überzeugt. Schon heute ist die genaue Zeitmessung mit Atomuhren eine unabdingbare Voraussetzung für die Informations- und Kommunikationstechnik sowie für die Satellitennavigation. In diesen Bereichen könnte die optische Atomuhr zu weitreichenden Verbesserungen führen. Darüber hinaus wird sie in der Grundlagenforschung verwendet werden, zum Beispiel in der Gravitationsforschung und bei der Prüfung der Frage, ob Naturkonstanten wirklich Konstanten sind oder ob sie sich im Laufe von Jahrmilliarden nicht doch vielleicht geringfügig ändern. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 18.07.2001, Nr. 164 / Seite N1

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