28.12.2022

Alltagstaugliche Atomuhren

Europäisches Projekt entwickelt robuste und hochgenaue optische Atomuhr für vielfältige Anwendungen.

Atomuhren können so genau messen, dass sie in Geodäsie und Klimaforschung als empfindliche Sensoren dienen können, um die Oberfläche der Erde genauer zu vermessen oder die Erhöhung des Meeresspiegels aufgrund der Klima­erwärmung zu verstehen. Doch bislang sind diese Uhren sehr aufwendige wissenschaftliche Geräte, die von Spezialisten betrieben werden. Ein gerade gestartetes europäisches Projekt will nun eine sehr genaue, aber deutlich robustere Atomuhr entwickeln, die im Forschungsalltag ohne diese metrologische Spezialbetreuung auskommt. Das Projekt heißt AQuRA (Advanced Quantum Clock for Real World Applications) und wird von der EU mit 7,5 Millionen Euro gefördert. Die Koordination liegt bei der Universität Amsterdam. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) bringt ihre hohe Expertise aus dem Betrieb der besten Strontium­gitteruhren Europas in das Projekt ein.

 

Abb.: Blick auf eine Wolke von blau fluoreszierenden Strontium­atomen. Sie...
Abb.: Blick auf eine Wolke von blau fluoreszierenden Strontium­atomen. Sie werden mithilfe von Laser­strahlen bis auf Temperaturen dicht am absoluten Null­punkt gekühlt. Gut sichtbar ist der Kranz aus sechs Spiegeln, die die Strahlen reflektieren. (Bild: PTB)

Moderne optische Atomuhren sind die genauesten und präzisesten je gebauten Messgeräte. In ihnen ist die Taktfrequenz etwa 10.000-mal höher als bei den Cäsiumuhren. Sie liegt damit nicht mehr im Mikrowellen-, sondern im optischen Spektralbereich. Die feinere Taktung macht sie noch einmal deutlich genauer. Man kann sie etwa nutzen, um geodätische Höhen zu vermessen. „In Zukunft sind sie perfekt für Fragen der Klimaforschung“, erläutert PTB-Physiker Christian Lisdat. „Mit ihnen lässt sich mit großer Genauigkeit und Verlässlichkeit über Jahre hinweg verfolgen, wie stark sich etwa der Meeresspiegel infolge der Klimaerwärmung hebt. Aber dafür müssen die empfindlichen Uhren durch die Lande gefahren und an verschiedenen Orten betrieben werden können, ohne dass wir Atomuhr­spezialisten ständig vor Ort dabei sind.“

Das ist ein anspruchsvolles Ziel, denn bisher erfordern die Uhren aufwendige quanten­technologische Aufbauten, die ganze Labore füllen. Sie stehen in spezialisierten Metrologie­instituten. Zwar hat die PTB bereits eine transportable optische Strontiumuhr entwickelt, die auf einem PKW-Anhänger Platz findet. „Aber diese Uhr ist ein fahrendes wissenschaftliches Speziallabor und benötigt für den Betrieb unser Spezial-Knowhow“, erklärt Christian Lisdat.

In dem nun bewilligten europäischen Projekt wollen er und die anderen Beteiligten nun einen Schritt weiter gehen: Entstehen soll eine Uhr mit einer nur geringfügig höheren Unsicherheit – etwa um den Faktor fünf –, aber dafür mit deutlich höherer Robustheit. Dazu bringt die PTB ihr umfangreiches Wissen aus dem Betrieb der europaweit genauesten optischen Uhren mit neutralen Strontium­atomen ein. „Unser Part im Projekt ist die grundsätzliche Design­beratung und die spätere Prüfung des Systems“, erläutert Lisdat.

PTB / DE

 

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