16 Milliarden Jahre lang auf die Sekunde genau

Der Takt von Atomuhren regelt die weltweit genormte Zeit und erlaubt genaue Ortsbestimmungen per Satellit. Die ausgereiften Atomuhren der GPS-Satelliten gehen nur etwa eine Sekunde in einer Million Jahren falsch. Dennoch arbeiten Physiker an neuen, noch vielfach exakteren Zeitmessern. Mit der neuen Generation optischer Strontiumatomuhren erreichten Wissenschaftler nun eine reproduzierbare Ganggenauigkeit von 2 x 10^-18 – das entspricht einem Fehler von einer Sekunde etwa alle 16 Milliarden Jahre. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ berichten, konnten sie zudem eine wichtige Fehlerquelle für die Zeitmessung genau bestimmen und damit berechenbar machen.

Strontiumuhren ticken genauer als die weit verbreiteten Cäsiumuhren, da sie die höhere Frequenz eines schnellen Elektronenübergangs nutzen. Mehr als 400 Billionen Mal pro Sekunde wechseln die Elektronen zwischen zwei Energieniveaus hin und her und senden dabei messbare Lichtpulse aus. Dieser schnelle Takt legt die Grundlage für die extrem genaue Zeitmessung. Allerdings müssen Strontiumatome fast auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt und in einem Lichtgitter aus sich kreuzenden Laserstrahlen festgehalten werden. Nach diesem Konzept bauten Ichiro Ushijima von der Universität Tokio und seine Kollegen nun zwei Strontiumuhren, um über Vergleichsmessungen deren hohe Ganggenauigkeit bestätigen zu können.

Bei ihren Versuchen widmete sich die Arbeitsgruppe um Ushijima besonders einer Fehlerquelle, die die empfindliche Zeitmessung stört. So beeinflusst die Wärme, die die gesamte Uhrenkonstruktion abstrahlt, den genauen Takt der ausgesendeten Lichtpulse. Da sich dieser Fehlerfaktor nicht vermeiden ließ, wollten Ushijima und Kollegen ihn zumindest exakt bestimmen. Das gelang ihnen, indem sie das Verhalten der Strontiumatome über einen Temperaturbereich zwischen minus 178 und 27 Grad Celsius analysierten. Ergebnis war eine Art Eichkurve, mit der nun der Takt von unterschiedlich warmen Strontiumuhren korrigiert und damit vergleichbar werden könnte.

„Das ist ein wichtiger Punkt, um die Genauigkeit dieser Atomuhren noch weiter zu verbessern“, sagt Koautor Hidetoshi Katori vom japanischen Forschungszentrum RIKEN. Zudem seien seine Ergebnisse auch auf andere Taktsysteme, die auf Ytterbiumatomen basieren, übertragbar. Trotz dieses Erfolgs kann es noch Jahre dauern, bis optische Atomuhren auf der Basis von Strontium- oder Ytterbiumatomen als viel genauere und offizielle Taktgeber genutzt werden können. Denn neben der Wärmestrahlung gibt es noch weitere systematische Fehlerquellen – etwa der Einfluss der vom Standort abhängigen Schwerkraft. „Um diesen Effekt beziffern und beherrschen zu können, arbeiten wir derzeit mit zwei optischen Atomuhren, die 15 Kilometer voneinander entfernt sind“, sagt Katori. Sobald aus diesen Versuchen Ergebnisse vorliegen, werden die Zeitmessungen verschiedener Strontiumuhren noch besser vergleichbar werden.