Genauere Atomuhren

Erstmals konnte ein wichtiger Unsicherheitsfaktor bei den derzeit genauesten Atomuhren, den Cäsium-Fontänen, vermieden werden.

Bisher dachte man, die Genauigkeit der derzeit besten Atomuhren, der Caesium-Fontänen, könne nicht mehr wesentlich gesteigert werden. Das stimmt nicht mehr. Mit einer Reihe von Experimenten an ihrer Fontänen-Atomuhr CSF1 haben Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig einen bisher unbekannten Effekt im Zusammenhang mit den wechselseitigen Stößen der Caesiumatome in der Uhr gefunden. Die Ergebnisse, die in Zusammenarbeit mit britischen und US-amerikanischen Kollegen erzielt und in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurden, ermöglichen eine deutliche Verbesserung von Caesium-Fontänenuhren.

Im internationalen Einheitensystem (SI) ist die Sekunde über einen bestimmten Mikrowellenübergang zwischen zwei internen Energiezuständen des Caesiumatoms festgelegt. In einer Caesium-Fontänenuhr, dem besten heute verfügbaren Typ einer primären Atomuhr, helfen Laserstrahlen, die Caesiumatome in einer kleinen Wolke einzufangen und abzukühlen; danach wird die Atomwolke etwa einen Meter hoch nach oben geworfen, bevor sie wieder herunterfällt. Während dieser Freiflugphase kann die Übergangsfrequenz mit höchster Präzision bestimmt werden. Heutige Fontänenuhren stellen die Länge der SI-Sekunde mit einer Genauigkeit von 15 Stellen hinter dem Komma dar.

Entscheidend für den Betrieb jeder primären Atomuhr ist, dass alle Effekte, die möglicherweise die Resonanzfrequenz der Atome verändern könnten, im Detail verstanden sind, sodass die daraus resultierenden Frequenzverschiebungen vermieden oder korrigiert werden können. Eine wesentliche Korrektur bei einer Caesium-Fontänenuhr wird wegen der wechselseitigen Stöße der kalten Atome in der Wolke erforderlich. Im Allgemeinen hat die begrenzte Genauigkeit, mit der diese Korrektur durchgeführt werden kann, einen großen Anteil an der gesamten Restunsicherheit der aus einer Fontänenuhr abgeleiteten Sekundendauer.

Jetzt ist eine neue Methode entwickelt worden, mit der die stoßinduzierte Frequenzverschiebung von vorneherein vermieden werden kann. Diese Methode ist Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern der PTB, des National Physical Laboratory (NPL) in Großbritannien und des National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA. Sie wurde an den Caesium-Fontänenuhren PTB-CSF1 und NPL-CsF1 entwickelt. Durch eine leichte Anpassung der Leistung der Mikrowellenstrahlung, die den Übergang im Caesiumatom anregt, lässt sich die kumulierte Stoßverschiebung von negativen zu positiven Werten verändern – oder genau zu Null machen! Das dabei ausgenutzte physikalische Prinzip hängt mit der Art und Weise zusammen, in der die Stöße zwischen den kalten Atomen sich qualitativ und quantitativ verändern, während die Atomwolke durch die Apparatur fliegt. Dieses physikalische Modell konnte von den Wissenschaftlern am NPL durch numerische Simulationen bestätigt werden, wobei von den Kollegen am NIST berechnete Daten zur Stoßphysik eingesetzt wurden.

Somit ergibt sich nun die faszinierende Perspektive des Betriebs von Caesium-Fontänenuhren bei exakt kompensierter Stoßverschiebung, sodass eine explizite Korrektur nicht mehr erforderlich ist. Zurzeit laufen weitere Untersuchungen, um die praktischen Grenzen dieses stoßverschiebungsfreien Betriebs abzustecken. Schon jetzt allerdings lässt sich absehen, dass Caesium-Fontänenuhren erheblich leistungsfähiger werden, als man das bisher für möglich gehalten hatte.

Quelle: PTB

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  K. Szymaniec, W. Chalupczak, E. Tiesinga, C.J. Williams, S. Weyers und R. Wynands, Cancellation of the Collisional Frequency Shift in Caesium Fountain Clocks, Physical Review Letters 98, 153002 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.153002
• Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB):
  http://www.ptb.de
• Robert Wynands, PTB-Arbeitsgruppe Zeitnormale:
  http://www.ptb.de/de/org/4/44/441/_index.htm
• National Physical Laboratory (NPL), Großbritannien:
  http://www.npl.co.uk
• National Institute of Standards and Technology (NIST), USA:
  http://www.nist.gov