Mikrokamm-Chips Kleinere Atomuhren für präzisere GPS-Systeme

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Optische Atomuhren ermöglichen eine tausendfach genauere Zeit- und Positionsbestimmung als herkömmliche Systeme. Ein Forschungsteam der Purdue University (USA) und der Chalmers University of Technology (Schweden) hat nun eine Technologie entwickelt, die diese hochpräzisen Zeitmesser drastisch verkleinert und damit für neue Anwendungen nutzbar macht.

Die Genauigkeit aktueller GPS- und Navigationssysteme basiert auf rund 400 weltweiten Atomuhren, die Mikrowellenfrequenzen nutzen, um Atomoszillationen zu messen. Optische Atomuhren hingegen verwenden Laserlicht, um diese Schwingungen auf einer noch höheren Frequenzebene zu detektieren, was eine viel feinere Zeitmessung erlaubt. Dadurch könnten Positionsangaben von mehreren Metern auf wenige Zentimeter präzisiert werden.

Laut Prof. Minghao Qi von der Purdue University, einer der Co-Autoren zur begleitenden Studie, könnte diese Technologie autonome Fahrzeuge und geodätische Messungen erheblich verbessern. Solche Systeme könnten selbst kleinste Veränderungen in der Erdoberfläche erkennen, etwa bei der Überwachung von Vulkanaktivitäten.

Miniaturisierung durch Mikrokämme

Bisher waren optische Atomuhren aufgrund ihrer Größe und der aufwendigen Laborbedingungen nicht für mobile Anwendungen geeignet. Die neue Entwicklung setzt auf sogenannte Mikrokämme (Microcombs), die Lichtfrequenzen in gleichmäßigen Abständen erzeugen. Diese fungieren als Brücke zwischen den hochfrequenten optischen Signalen der Atome und elektronisch zählbaren Radiowellen.

„Unsere Mikrokämme ermöglichen es, ein Lasersignal präzise an die Atomübergänge anzupassen, sodass das optische Uhrensystem kompakter wird, ohne an Genauigkeit zu verlieren", erklärt Victor Torres Company, Professor für Photonik an der Chalmers University of Technology und ein weiterer an der Studie beteiligter Co-Autor.

Integration von Photonik auf einem Chip

Ein weiteres Hindernis für die Verkleinerung optischer Atomuhren war die Notwendigkeit einer sogenannten Selbstreferenzierung. Dieses Problem lösten die Forschenden durch den Einsatz von zwei Mikrokämmen mit einer leicht versetzten Frequenz. Dadurch wird ein stabiler, elektronisch messbarer Takt generiert.

Zudem setzen die Wissenschaftler auf photonische Integration, bei der Laserquellen, Frequenzkämme und andere optische Komponenten auf winzige Chips integriert werden. „Diese Technologie ermöglicht es, optische Atomuhren auf Mikro- bis Millimetergröße zu reduzieren, während sie gleichzeitig ihre einzigartige Präzision beibehalten", erläutert Prof. Torres Company. Auf diese Weise werden sie in Satelliten, Drohnen oder mobilen Geräten einsetzbar.

Zukunftsperspektiven und mögliche Anwendungen

Die Miniaturisierung optischer Atomuhren könnte langfristig den Weg für massenproduzierte, ultrapräzise Zeitmesser ebnen. Während das aktuelle System noch aus mehreren Komponenten besteht, arbeiten die Forscher daran, alle Bauteile auf einem einzigen Chip zu integrieren. „Wir hoffen, dass künftige Fortschritte bei den Materialien und Fertigungstechniken die Technologie weiter verbessern und uns einer Welt näher bringen werden, in der die ultrapräzise Zeitmessung zum Standard in unseren Mobiltelefonen und Computern gehört", sagt Prof. Torres Company.

Die Studie, die in Nature Photonics veröffentlicht wurde, basiert auf Forschungsarbeiten unter der Leitung des kürzlich verstorbenen Professors Andrew Weiner, dessen Engagement und wissenschaftliche Standards die Autoren würdigen.(sg)

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