Optische Atomuhr erreicht zehnfache Präzision

Optische Atomuhren sind die genauesten Taktgeber überhaupt. Mit einem Ensemble aus Ytterbiumatomen gelang es nun Forschern vom US-Amerikanischen Normungsinstitut NIST in Boulder, diese Atomuhren noch einmal um das Zehnfache genauer ticken zu lassen. Damit erreichten sie einen neuen Rekord: Ihre Ytterbium-Atomuhr ging nur eine Sekunde innerhalb von knapp zwanzig Milliarden Jahren falsch. Das ist die Grundlage für eine noch exaktere Ortbestimmung per Satellit und die Überprüfung fundamentaler Naturgesetze.

„Die Stabilität der Ytterbium-Uhr öffnet die Tür zu einigen aufregenden Anwendungen“, sagt Andrew Ludlow von der Optical Frequency Measurements Group am NIST. So könnten solche Uhren etwa zur Überprüfung von Gravitationgesetzen genutzt werden, um Aussagen der Relativitätstheorien von Einstein zu bestätigen oder zu widerlegen. Für den bisher genauesten Taktgeber der Welt sperrten Ludlow und Kollegen rund 5000 Atome des Metalls Ytterbium aus der Gruppe der Seltenen Erden in ein optisches Gitter. Um möglichst ungestört die elektronischen Übergänge in den Ytterbiumatomen messen zu können, kühlten sie dieses Atomgitter in einem Vakuum auf zehn Mikrokelvin ab.

Als Taktgeber diente den Forschern die Frequenz einer atomaren Resonanz nach einer optischen Anregung. Um diese so genau wie möglich messen zu können, nutzten sie verschiedene Laser für eine ausgewogene Besetzung verschiedener Anregungszustände der Elektronen des Ytterbiumatoms. Dazu dienten zum einen kühlende Laser mit 399 und 556 Nanometer Wellenlänge. Um die Resonanzfrequenz zudem mit hoher Stabilität bestimmen zu können, wurde zum anderen der Besetzungsgrad der angeregten Zustände mit weiteren Lasern bei 578 und 1388 Nanometer Wellenlänge kontrolliert. Hochempfindliche Photoelektronenvervielfacher (PMT) fingen dabei die Fluoreszenzsignale auf, die die Ytterbiumatome bei den Übergängen der Elektronen in energetisch tiefer gelegene Niveaus aussendeten.

Um beste Ergebnisse zu erzielen, mittelten die Forscher die Messwerte für die Resonanzfrequenz über einen bestimmten Zeitraum. Hierbei war es von Vorteil, dass zwei optische Lichtgitter – Yb-1 und Yb-2, jeweils mit etwa 5000 Ytterbiumatomen besetzt – sich koppeln ließen. Mit dieser hohen Zahl an Atomen reichte es aus, den Mittelwert der Resonanzfrequenzen über eine einzige Sekunde zu ermitteln, um die Frequenzstabilität andere Atomuhren mit sogenannten Cäsium-Fontänen (etwa 10^-15) zu erhalten. Über 25.000 Sekunden gemittelt ergab sich schließlich eine extrem hohe Stabilität von 1,6 × 10^-18.

Mit dieser optischen Atomuhr aus Ytterbium-Gittern bauen die NIST-Forscher ihre Spitzenposition im Wettlauf um die genauste Zeit aus. Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) folgen allerdings dicht danach. Schon vor gut einem Jahr erreichten sie ebenfalls mit einer optischen Atomuhr eine Ganggenauigkeit bis auf die 17. Nachkommastelle. Bis diese weltbesten Atomuhren jedoch zum allgemeinen Standard für die Weltzeit werden, können viele Jahre vergehen. Denn zuvor müssten die Rekordgenauigkeiten in mehreren Zeitlaboren rund um den Globus reproduziert und bestätigt werden.

Jan Oliver Löfken

PH