Genaueste Uhr der Welt kommt aus den USA

Sie geht in 15 Milliarden Jahren nur eine Sekunde nach: die genaueste Uhr der Welt. US-Forscher nutzen Schwingungen von Strontiumatomen. Die Atomuhren der PTB in Braunschweig haben gegen diese Präzision keine Chance.

Strontium-Gitteruhr des JILA-Instituts: Sie weicht erst nach 15 Miliarden Jahren um eine Sekunde ab. Das ist länger als das Alter des Universums.

Foto: Edward Marti/dpa

Die Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig gehen ganz schön genau: In 83 Millionen Jahren weichen sie gerade mal um eine Sekunde ab. Im Vergleich zu der neuen Atomuhr, die Wissenschaftler in einem Labor der University of Colorado in Boulder gebaut haben, wirkt die beste Caesium-Uhr der PTB allerdings wie ein Billigmodell aus dem Versandhandel. Die Strontium-Uhr der Amerikaner hat erst nach 15 Milliarden Jahren eine Abweichung von einer Sekunde.

Atomuhren ticken nicht, wie es in manchen Veröffentlichungen heißt. Atomuhren sind penible Beobachter. Sie zählen die Zahl der Schwingungen von Atomen, die kontrolliert mit Energie versorgt werden, etwa per Laser. Der regt sie an, sodass sie auf ein höheres Energieniveau hüpfen. Das ist ein unnatürlicher Zustand, sodass die Atome ihre Energie gleich wieder abgeben, wenn die Anregung fehlt. Bestimmte Atome halten dabei einen strengen Takt ein. In Caesiumuhren etwa ist nach 9.192.631.770 Schwingungen gerade mal eine Sekunde vergangen.

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Käfig aus Laserstrahlen

Jun Ye, Leiter der Forschergruppe am JILA-Institut, in dem Wissenschaftler der University of Colorado und des National Institute of Standards and Technology zusammenarbeiten, nutzte ein optisches Gitter aus Laserstrahlen, das wie ein winziger Käfig wirkt. Die Forscher sperrten darin ein paar Tausend Atome des Erdalkalimetalls Strontium ein und traktierten sie mit einem weiteren Laserstrahl mit einer Wellenlänge von exakt 698 Nanometer. Dessen Energie lässt die Strontiumatome zwischen zwei Energiezuständen pendeln. Die verwendete Wellenlänge erwies sich nach vielen Annäherungsversuchen als die, die die besten Ergebnisse bringt.

Atomuhr CSF 1 in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig: Mikrowellenstrahlen versetzen Caesiumatome in Schwingung. Die Frequenz ist Taktgeber der Uhr.

Quelle: Peter Steffen/dpa

Noch eins mussten die Entwickler sicherstellen: Eine absolut gleichmäßige Temperatur des Strahlenkäfigs, die sie mit zwei extrem genauen Sensoren überwachen. Schon geringe Abweichungen verändern die Schwingungsfrequenz der Atome und damit die Ganggenauigkeit.

Ultrapräzise Uhren verbessern Satellitennavigation

Präzise Zeitangaben sind nötig, um beispielsweise die Präzision der Satellitennavigation zu verbessern. Diese beruht auf Laufzeitmessungen von Signalen, die beispielsweise die amerikanischen GPS-, die russischen Glonass- und bald auch die europäischen Galileo-Satelliten aussenden. In jedem Satelliten befindet sich eine Atomuhr, allerdings einfacherer Bauart. Aus den Laufzeiten der Signale mehrerer Satelliten lässt sich die Position des Empfängers, etwa in einem Auto, ermitteln. Die neuartige Atomuhr könnte auch als ultrapräziser Höhenmesser genutzt werden, der die Abnahme der Schwerkraft mit zunehmendem Abstand von der Erde berücksichtigt.

Ein Beitrag von:

Wolfgang Kempkens

Wolfgang Kempkens studierte an der RWTH Aachen Elektrotechnik und schloss mit dem Diplom ab. Er arbeitete bei einer Tageszeitung und einem Magazin, ehe er sich als freier Journalist etablierte. Er beschäftigt sich vor allem mit Umwelt-, Energie- und Technikthemen.