Strontium-Atomuhr ist derzeit genauester Zeitmesser

Die weltweit genaueste Uhr tickt derzeit in einem amerikanischen Labor an der University of Colorado in Boulder. Dank der Schwingungen von Strontiumatomen geht die Atomuhr innerhalb von 15 Milliarden Jahren höchstens eine einzige Sekunden falsch. Wie die Forscher im Fachblatt „Nature Communications“ berichten, konnten sie damit die Ganggenauigkeit der Strontium-Atomuhr nach einem Rekord vor über einem Jahr noch einmal um das Dreifache verbessern. Solche genauen Zeitmessungen sind für verschiedene Anwendungen von der Satellitennavigation bis zur Analyse quantenphysikalischer Phänomene interessant.

Für ihren neuen Rekord nutzten die Forscher um Travis Nicholson von der University of Colorado ein optisches Gitter aus Laserstrahlen. In diesem nur dreißig mal dreißig Mikrometer kleinen Areal innerhalb einer Vakuumkammer sperrten sie einige Tausend Strontiumatome ein. Diese Atome wurden dann im roten Licht eines weiteren Lasers zu Schwingungen zwischen zwei Energiezuständen angeregt. Dabei gelang es den Wissenschaftlern, die Wellenlänge des Lasers sehr genau an die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen anzupassen. Und je besser der anregende Laser diese Resonanzbedingungen erfüllte, desto genauere Zeitmessungen waren möglich.

Die resonanten Schwingungen reagieren allerdings sehr empfindlich auf Wärme in der direkten Umgebung. Schon geringe Temperaturschwankungen können die Resonanzbedingungen etwa verändern. Um diese Fehlerquelle für eine exakte Zeitmessung zu minimieren, schirmten die Forscher das optische Gitter mit den Strontiumatomen gegen Wärmestrahlung ab. Zusätzlich installierten sie zwei hoch empfindliche Thermometer in der Nähe des Gitters, um jede mögliche Temperaturschwankung kontrollieren zu können. Beide Maßnahmen waren wesentlich für die nun erzielte Ganggenauigkeit der Atomuhr verantwortlich.

Mit diesem Rekord gehen Atomuhren so genau, dass man sie sogar für Höhenmessungen über die relativistische Geodäsie nutzen kann. Denn nach der Relativitätstheorie von Albert Einstein vergeht die Zeit mit zunehmender Höhe über der Erdoberfläche etwas schneller. Verantwortlich dafür sind winzige Veränderungen der wirkenden Schwerkraft. Laut der Gruppe ticke die neue Strontium-Atomuhr so genau, dass sie diese Zeitunterschiede noch messen kann, wenn sie nur zwei Zentimeter angehoben werde.

Mit ihrer Strontium-Atomuhr stehen die Forscher im stetigen Wettlauf mit anderen Instituten weltweit, etwa der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig oder dem Quantum Metrology Laboratory der japanischen Forschungsgemeinschaft RIKEN. So erreichten RIKEN-Forscher schon vor wenigen Monaten eine vergleichbare Ganggenauigkeit wie ihre Kollegen in Boulder. Allerdings nutzten sie dazu zwei miteinander gekoppelte Strontium-Atomuhren. Diese Kopplung erlaubte einen stetigen Abgleich der Zeitmessung beider Uhren, über den der Messfehler reduziert werden konnte.