22.09.2004

Atomuhr in Reiskorngröße

Physik Journal – eine winzige Gaszelle für Cäsium-Atome macht die kleinste Atomuhr möglich.

Atomuhr in Reiskorngröße

Physik Journal - eine winzige Gaszelle für Cäsium-Atome macht die kleinste Atomuhr möglich.

Die eigene Atomuhr am Handgelenk, diese Möglichkeit eröffneten nun amerikanische Physiker mit einer nur einen Kubikmillimeter kleinen Gaszelle für Cäsium-Atome. Aufbauend auf dieser Kernkomponente entstand so am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder die wahrscheinlich kleinste Atomuhr der Welt. Bei einem Stromverbrauch von nur 75 Milliwatt reicht sogar eine Batteriespannung von 2,5 Volt aus, um den atomaren Taktgeber zu betreiben.

Mit einer nur einen Kubikmillimeter kleinen Gaszelle für Cäsium-Atome lässt sich die kleinste Atomuhr der Welt bauen. (Quelle: NIST)

Mit einer Ganggenauigkeit von rund 10 –10 pro Sekunde geht die Uhr in 300 Jahren etwa eine Sekunde falsch. Damit reicht sie zwar nicht an die Präzision (10 –15/s) der besten verfügbaren und deutlich größeren Atomuhren heran, doch stellt sie tragbare Schwingquarzsysteme weit in den Schatten. Wie ihre großen Brüder nutzt der NIST-Winzling einen resonanten Übergang von Elektronen zwischen zwei Energieniveaus des Cäsium-Atoms. Klassisch werden dabei Mikrowellen mit einer charakteristischen Schwingungsfrequenz absorbiert. Für die Mini-Atomuhr dagegen nutzten die Forscher ein nichtlineares Phänomen in Atomen, bei dem die Elektronen beim Übergang zwischen zwei Energieniveaus durch optische Felder angeregt werden (coherent population trapping). Statt Mikrowellen wandert dabei ein abstimmbarer Lichtstrahl eines Diodenlasers durch die 80 Grad heiße Cäsiumdampfwolke. Die transmittierte Leistung wird mit einer Photodiode bestimmt und erlaubt die genaue Messung der dem atomaren Übergang entsprechenden Resonanzfrequenz.

Aufbauend auf der winzigen Dampfzelle und kombiniert mit Halbleiterdioden-Laser und Steuerungselektronik halten die NIST-Forscher den Bau einer Atomuhr von rund einem Kubikzentimeter Größe für möglich. Solche chipgroßen Module könnten nach ihrer Meinung mit verfügbaren Techniken sehr günstig in großen Mengen produziert werden. Eingebaut in tragbare GPS-Empfänger könnten sie zu genaueren Positionsbestimmungen oder zur besseren Flugkontrolle von Satelliten führen. Auch exaktere Abstimmungen von CPUs in vernetzen Rechnersystemen haben die Forscher im Blick. In einer Armbanduhr dagegen wird man auch in Zukunft diese hohe Genauigkeit kaum benötigen.

Jan Oliver Löfken

Quelle: Physik Journal, Oktober 2004

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