Aktuelles

Kalziumatome geben den Takt an

Eine präzise optische Atomuhr höchster Stabilität

Von Rainer Scharf

Atomuhren geben in der modernen Industriegesellschaft den Zeittakt vor. Ihre enorme Genauigkeit hat den Betrieb von globalen elektronischen Kommunikations- und Navigationssystemen nämlich erst möglich gemacht. Die größte Präzision erreichen bislang Cäsiumatomuhren. Sie gehen theoretisch auch nach 30 Millionen Jahren noch auf die Sekunde genau. Allerdings muß eine Cäsiumatomuhr über mehrere Stunden laufen, bevor sie diese Genauigkeit erreicht. Eine neue Atomuhr, die Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig entwickelt haben, braucht dafür nur noch Sekunden.

Atomuhren funktionieren ähnlich wie ihre klassischen Vorläufer. Sie messen die Zeit durch das Zählen periodischer Schwingungen. Allerdings werden hierzu angeregte Atome als Taktgeber verwendet. Bei einer Cäsiumatomuhr fliegen Cäsiumatome durch ein Mikrowellenfeld, dessen Frequenz auf eine genau bekannte Anregungsfrequenz der Atome abgestimmt wird. Die Schwingungen des Mikrowellenfeldes - rund neun Millionen in der Sekunde - werden dann elektronisch ausgezählt. Regt man die Atome hingegen mit Lichtwellen an, die fünfzigtausendmal so schnell schwingen wie Mikrowellen, so kann man eine hohe Präzision innerhalb von Sekunden erzielen. Optische Atomuhren, die mit einzelnen Quecksilber- oder Ytterbium-Ionen arbeiten, konnten die Genauigkeit von Cäsiumatomuhren bisher nicht erreichen.

Die Hoffnungen richten sich jetzt unter anderem auf optische Atomuhren, die mit einer großen Zahl neutraler Atome arbeiten. Uwe Sterr, Guido Wilpers und ihre Mitarbeiter haben eine solche Atomuhr entwickelt, in der etwa zehn Millionen Kalziumatome zum Schwingen gebracht werden. Schon jetzt erreicht sie die Präzision von optischen Quecksilber- und Ytterbiumuhren. Die Forscher sind zuversichtlich, daß sich die Genauigkeit der Kalziumuhr noch wesentlich erhöhen läßt, und zwar auf eine Sekunde in mehr als zehn Milliarden Jahren.

Wie die Forscher in der Zeitschrift "Physical Review Letters" (Bd. 89, Nr. 230801) berichten, werden in der neuen Atomuhr die Kalziumatome in einer magnetooptischen Falle festgehalten und auf eine Temperatur von zehn millionstel Kelvin gekühlt. Anschließend wird die Falle abgeschaltet, so daß die Atomwolke langsam expandieren kann. Vier gepulste Laserstrahlen treffen die Kalziumatome in kurzen zeitlichen Abständen und regen sie an. Zugleich spalten die Laserstrahlen die De-Broglie-Wellen der Atome in Teilwellen auf. Dann werden die Teilwellen wieder zusammengebracht, und es entsteht ein Interferenzmuster, das empfindlich davon abhängt, wie genau die Laser auf die Anregungsfrequenz der Atome abgestimmt sind. Nach etwa einer Zehntelsekunde wird die nächste Atomwolke in die Falle gebracht, und der Vorgang beginnt von vorn.

Die auf die Kalziumatome abgestimmte Laserfrequenz ist indes so groß, daß man sie nicht mehr auf elektronischem Wege auszählen kann, wie das in der Cäsiumatomuhr geschieht. Statt dessen benutzen die Forscher einen sogenannten Frequenzkammgenerator, der es ermöglicht, optische Frequenzen direkt mit der Mikrowellenfrequenz einer Cäsiumatomuhr zu vergleichen. Auf diese Weise kann man mitzählen, wie die neue optische Atomuhr "tickt", die schon bald alle anderen Atomuhren an Stabilität und Genauigkeit weit übertreffen könnte. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 25.11.2002, Nr. 274 / Seite 38

>>> Zur Startseite