Neue Präzision bei optischer Atomuhr Neue optische Atomuhr erlaubt noch genauere Messung der Sekunde

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Forschern des JILA, einer gemeinsamen Einrichtung des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado Boulder in den USA, ist es gelungen, eine Atomuhr zu bauen, die sehr viel präziser als ihre Vorgänger ist, weil sie bisherige Schwächen optischer Atomuhren abmildert.

Ginge es der Angabe von Zeit nach dem Gefühl eines jeden Menschen, dann gäbe auf der Welt vermutlich Milliarden von verschiedenen Zeitmessungen. Je nachdem, wie beschäftigt man ist - oder nicht - wird das Verstreichen von Zeit anders aufgefasst. Bereits frühe Zivilisationen haben versucht, Zeit ein Maß zu verpassen, doch erst mit der Erfindung der Atomuhr im 20. Jahrhundert konnte eine Sekunde als Einheit eindeutig definiert werden. 1967 wurde die Sekunde offiziell als das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der Strahlung, die beim Übergang zwischen zwei Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Caesium-133-Atomen emittiert wird, festgelegt.

Mittlerweile wurden Uhren entwickelt, die nicht auf Caesium-Atomen basieren und spürbar präziser sind. Deswegen wird davon ausgegangen, dass die Maßeinheit Sekunde in einigen Jahren umdefiniert werden könnte. Gemessen wird eine Sekunde also mit einer Atomuhr. Diese dient zur hochpräzisen Zeitmessung und ist essenziell für die Synchronisation von Kommunikationsnetzen wie das Internet und dem GPS sowie für wissenschaftliche Experimente und Finanztransaktionen.

Aus dem JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics), einer gemeinschaftlichen Einrichtung des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado Boulder, kam Anfang Juli 2024 die Neuigkeit einer neuen Atomuhr, die noch präziser als vorherige ist. 

Ein sanftes Netz aus Laserlicht

Die neue Art von Uhr beleuchtet Atome mit sichtbaren Lichtwellen, die eine viel höhere Frequenz haben anstatt der altgedienten Mikrowellen. Das erlaubt eine noch viel präzisere Zählung der Sekunde. Im Vergleich zu den derzeitigen genutzten Mikrowellenuhren sollen die optischen Uhren eine viel höhere Genauigkeit für die internationale Zeitmessung bieten - sie könnten alle 30 Milliarden Jahre nur eine Sekunde verlieren.

Alexander Aeppli, Kyungtae Kim, William Warfield, Marianna S. Safronova und Jun Ye veröffentlichten am 10. Juli 2024 ihre Studie „Clock with 8×10^-19 Systematic Uncertainty“ bei Physics Review Letters, die dort eingesehen werden kann. Eine systematische Unsicherheit von 8 × 10^-19 bedeutet, dass die Uhr eine sehr geringe Abweichung in ihrer Zeitmessung hat. Genauer gesagt, die Uhr würde nur um 8 Teile in 10^19 (das sind 8 in 10 Trillionen) vom wahren Zeitwert abweichen.

Um diese Leistung zu erreichen, verwendeten die JILA-Forscher ein flacheres, sanfteres „Netz“ aus Laserlicht, um die Atome einzufangen. Dadurch wurden zwei wichtige Fehlerquellen erheblich reduziert, die bei bisherigen optischen Atomuhren auftreten konnten: die Effekte des Laserlichts, das die Atome einfängt, und die Atome, die aneinander stoßen, wenn sie zu dicht gepackt sind. „Diese Uhr ist so präzise, dass sie winzige Effekte erkennen kann, die von Theorien wie der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt werden, sogar auf mikroskopischer Ebene“, so Jun Ye. „Sie verschiebt die Grenzen dessen, was mit Zeitmessung möglich ist.“

Die Biegung von Zeit und Raum

Die Allgemeinen Relativitätstheorie ist Einsteins Theorie, die beschreibt, wie Schwerkraft durch die Verformung von Raum und Zeit verursacht wird. Eine der wichtigsten Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass Zeit selbst von der Schwerkraft beeinflusst wird - je stärker das Gravitationsfeld, desto langsamer vergeht die Zeit. Es gibt allerhand Science-Fiction-Material, das diesen Teil der Allgemeinen Relativitätstheorie aufgreift. Doch lässt sich das auch in der Realität verdeutlichen?

Mit der vorgestellten Konstruktionsweise einer Atomuhr, so die Forscher des JILA, lassen sich relativistische Effekte auf die Zeitmessung im Submillimeterbereich nachweisen, was etwa der Dicke eines einzelnen menschlichen Haares entspricht. Das Anheben oder Absenken der Uhr um diese winzige Distanz reicht den Forschern aus, um eine winzige Veränderung des Zeitflusses zu erkennen, die durch die Auswirkungen der Schwerkraft verursacht wird.

Diese neu gewonnene Präzision in der Messung der Sekunde erlaubt eine wesentlich genauere Navigation, und zwar nicht nur auf der Erde, sondern auch im Weltall; an Orten, an denen kleinste Fehler in der Zeitmessung zu gravierenden Problemen in der Navigation führen könnten. Gleichfalls kann die neue Art der Zeitmessung an anderer Stelle für Fortschritte und Durchbrüche sorgen.

„Die gleichen Methoden, die zum Einfangen und Kontrollieren der Atome verwendet werden, könnten auch zu einem Durchbruch in der Quanteninformatik führen. Quantencomputer müssen in der Lage sein, die internen Eigenschaften einzelner Atome oder Moleküle präzise zu manipulieren, um Berechnungen durchzuführen. Die Fortschritte bei der Kontrolle und Messung mikroskopischer Quantensysteme haben dieses Unterfangen erheblich vorangebracht“, erklären die Forscher des JILA. (sb)

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