Aktuelles 

Neue optische Atomuhr aus Braunschweig

Von Rainer Scharf

An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig hat man eine neuartige optische Atomuhr entwickelt, die mit elektrisch neutralen Kalziumatomen arbeitet. Optische Uhren könnten vielleicht schon bald die Cäsiumatomuhren ersetzen, die gegenwärtig das Zeitnormal festlegen.

Seit ihrer Einführung vor mehr als 40 Jahren haben sich die Cäsiumatomuhren als die präzisesten Zeitmesser behaupten können: Sie würden in 30 Millionen Jahren auf die Sekunde genau gehen. In diesen Atomuhren fliegen Cäsiumatome durch einen Mikrowellenresonator, dessen Frequenz auf eine besonders scharf definierte Anregungsfrequenz der Atome abgestimmt wird. Die Schwingungen des Mikrowellenfeldes - rund 9 Millionen in der Sekunde - zählt man direkt elektronisch aus und macht sie auf diese Weise zum Taktgeber der Atomuhr.

Die große Genauigkeit erreicht man indes nur, wenn man den Lauf der Cäsiumatomuhr über mehrere Stunden mittelt. Will man eine vergleichbare Präzision auch innerhalb von Sekunden erzielen, so muss man statt Mikrowellen Lichtwellen nehmen, deren Frequenz etwa 50 000-mal größer ist. Solche optischen Atomuhren hat man schon mit einzelnen Quecksilber- oder Ytterbiumionen betrieben, jedoch ohne bisher die Genauigkeit der Cäsiumatomuhren zu erreichen.

Jetzt haben Uwe Sterr, Guido Wilpers und ihre Mitarbeiter bei der PTB eine optische Atomuhr entwickelt, die mit etwa 10 Millionen neutralen Kalziumatomen arbeitet und inzwischen schon so genau geht wie die optischen Quecksilber- und Ytterbiumuhren. Aufgrund der großen Zahl der benutzten Atome läuft die Kalziumuhr sehr stabil. Ihre Genauigkeit sollte sich noch wesentlich erhöhen lassen, und zwar auf eine Sekunde in mehreren Milliarden Jahren!

Die Kalziumatome werden in einer magnetooptischen Falle festgehalten und auf eine Temperatur von 10 Mikrokelvin abgekühlt. Dann wird die Falle abgeschaltet und die Atomwolke expandiert langsam. Vier gepulste Laserstrahlen treffen die Kalziumatome in kurzen zeitlichen Abständen. Dabei regen sie die Atome an und spalten zugleich deren de Broglie-Wellen auf. Schließlich 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 die ganze Prozedur wiederholt sich.

Die abgestimmte Laserfrequenz ist indes zu groß, als dass man sie direkt auf elektronischem Wege auszählen könnte, wie dies bei der Cäsiumatomuhr geschieht. Stattdessen benutzen die Forscher einen so genannten Frequenzkammgenerator, mit dessen Hilfe sich optische Frequenzen direkt mit der Mikrowellenfrequenz einer Cäsiumatomuhr vergleichen lassen. Auf diese Weise kann man mitzählen, wie die neue optische Atomuhr "tickt". Schon bald könnte sie in puncto Stabilität alle anderen Atomuhren weit hinter sich lassen. 

Quelle
G. Wilpers et al., Optical Clock with Ultracold Neutral Atoms, Physical Review Letters 89, 230801 (2002)
http://link.aps.org/abstract/PRL/v89/e230801

Kontakt
Uwe Sterr, Uwe.Sterr@ptb.de

Weitere Informationen

Quantenoptik mit ultrakalten Atomen
http://www.ptb.de/de/org/4/43/432/index.htm

Funktionsweise einer Atomuhr
http://www.ptb.de/de/org/4/44/441/info2.htm

pro-physik.de v. 22.11.2002

>>> Zur Startseite