Aluminium-Ionen für robuste, optische Uhr

Über die weltweit genaueste Frequenzmessung zeigen amerikanische und österreichische Physiker, dass Aluminium-Ionen für den Aufbau extrem exakter Atomuhren geeignet sind.

Boulder (USA)/Innsbruck (Österreich) – Nur eine Sekunde in 400 Millionen Jahren weichen Atomuhren mit Quecksilber-Ionen von der exakten Zeit ab. Über die weltweit genaueste Frequenzmessung zeigen nun amerikanische und österreichische Physiker, dass auch Aluminium-Ionen für den Aufbau extrem exakter Atomuhren geeignet sind. In der Zeitschrift „Science“ berichten sie, dass diese Ionen zwar nicht genauer ticken doch dafür weniger von äußeren Einflüssen gestört werden.

„Die Aluminium-Uhr ist sehr akkurat, weil sie unempfindlich gegen magnetische und elektrische Felder und auch leichte Temperaturschwankungen ist“, sagt Till Rosenband vom National Institute of Standards in Boulder (NIST). Vergleichende Frequenzmessungen der optischen Übergänge der Quecksilber- und der Aluminium-Ionen konnten die Forscher bis auf 17 Dezimalstellen nach dem Komma genau durchführen. Zwar sind diese Uhren wegen des großen experimentellen Aufwands nicht unbedingt als Ersatz für klassische Zeitgeber wie den Caesium-Atomuhren geeignet, doch erlauben sie eine bisher unerreicht genaue Überprüfung von Naturkonstanten, wie beispielsweise der Feinstrukturkonstante.

Abb.: Ein Blick in die Ionenfalle der quantenlogischen Uhr. (Quelle: NIST)

In dem Experiment fingen Rosenband und Kollegen ein Aluminium-27-Ion in einer elektromagnetischen Falle ein und kühlten es mit Lasern fast bis auf den absoluten Nullpunkt ab. Für die Messung des optischen Übergangs von Aluminium (¹S₀ –> ³P₀) griffen die Forscher zu einem Trick, der sonst für die Kontrolle von optischen Zuständen in der Quantenspektroskopie verwendet wird. Dabei dient ein Beryllium-Ion, das zu dem Aluminium in der Falle gesellt wird, als eine Art Vermittler des Aluminiumübergangs. Durch Laser angeregt emittiert das Beryllium-Ion Licht. Nur im Resonanzfall wechselt auch das Aluminium-Ion sein Energieniveau. Mit einem weiteren Laserpuls kann festgestellt werden, ob dieser Wechsel tatsächlich stattgefunden hat.

Die genaue Abstimmung der anregenden Laserfrequenz liefert nun das eigentliche Zeitsignal, das durch den Übergang im Aluminium-Ion festgelegt wird. Möglich wird dies über einen Frequenzkamm, der die extrem genaue Messung dieser hohen optischen Frequenzen bis auf 5,2×10^–17 ermöglicht. Im Zusammenspiel mit einer Quecksilberionenuhr konnten die Physiker die Unveränderlichkeit der Feinstrukturkonstante überprüfen. Pro Jahr ändert sich diese weniger als der 1,6 billiardste Teil eines Prozents. Dieses Ergebnis bestätigt wie erwartet, dass der Wert für diese Naturkonstante tatsächlich nicht variiert.

Aluminium- und Quecksilber-Ionen sind nicht die einzigen geeigneten Elemente für extrem genaue Atomuhren. Erst vor wenigen Wochen stellte eine andere Arbeitsgruppe vom NIST eine Atomuhr auf der Basis von neutralen Strontiumatomen vor. Diese geht in 200 Millionen Jahren gerade mal eine Sekunde falsch. Moderne Atomuhren mit Cäsium-Atomen erreichen diese Abweichung „schon“ in 80 Millionen Jahren.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröfentlichung:
  T. Rosenband et al., Frequency Ratio of Al⁺ and Hg⁺ Single-Ion Optical Clocks; Metrology at the 17th Decimal Place, Sciencexpress (2008).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1154622
• National Institute of Standards (NIST):
  http://www.nist.gov
• Ion-Storage-Group:
  http://tf.nist.gov/ion/index.htm
• Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck:
  http://www.quantumoptics.at
• Animation zum Experiment:
  http://www.nist.gov/public_affairs/releases/logic_clock/logic_clock.html