Optische Atomuhren im Vergleich

Atomuhren sind die präzisesten Werkzeuge, um Zeit zu messen. Auf ihnen beruht nicht nur die amtliche Zeitangabe, sondern auch die Satellitennavigation. Dafür befinden sich etwa an Bord der GPS-Satelliten hochgenaue und stabile Atomuhren, deren Signale sich zum Bestimmen von Standorten nutzen lassen. Inzwischen gibt es außerdem optische Atomuhren, die nochmals deutlich genauere Zeitangaben ermöglichen. Forschern ist es nun gelungen, mehrere solcher Atomuhren mit bislang unerreichter Präzision zu synchronisieren. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, lässt sich damit überprüfen, ob optische Atomuhren ihre Genauigkeit auch dauerhaft beibehalten.

Die Schwingungen von Elektronen – die um einen Atomkern kreisen – dienen Atomuhren als Taktgeber. Gängige Atomuhren basieren auf Cäsiumatomen, die im Takt von Mikrowellen schwingen. Doch optische Atomuhren unterteilen eine Sekunde nochmals in viel kleinere Einheiten, denn Licht im optischen Bereich schwingt viele Tausendmal schneller als Mikrowellen. David Hume vom National Institute of Standards and Technology in Boulder – dem US-amerikanischen Gegenstück zur Physikalisch-Technischen Bundesanstalt – und seine Kollegen haben nun einen präzisen Zeitvergleich von drei unterschiedlichen optischen Atomuhren durchgeführt.

In ihren Experimenten verwendeten die Forscher optische Atomuhren, die auf Aluminium-, Strontium- und Ytterbiumatomen beruhen. Jede dieser Uhren geht auf etwa 18 Nachkommastellen genau – damit sind sie rund hundertmal genauer als die besten Cäsium-Atomuhren. Doch da die Uhren auf unterschiedlichen Atomsorten basieren, ticken sie auch mit unterschiedlichen Frequenzen. Und nur durch einen präzisen Vergleich der Frequenzen lässt sich ermitteln, ob die Uhren auch dauerhaft ihre Gangtreue einhalten.

Für einen solchen Zeitvergleich schalteten Hume und seine Kollegen die drei Uhren, die sich an verschiedenen Laboren in Boulder befanden, mit einem optischen Netzwerk zusammen. Dafür nutzten sie eine 3,6 Kilometer lange Strecke aus Glasfaserkabeln, sowie eine Freiluftverbindung über Laserlicht mit einer Länge von 1,5 Kilometern. Monatelange Messungen ergaben, dass sich diese Uhren mit einer Präzision von mehr als 17 Nachkommastellen synchronisieren ließen. Wie genau diese Zeitbestimmung ist, wird über den Vergleich mit einer Längenmessungen ersichtlich: Die erzielte Präzision ist so hoch, als würde man den Abstand von der Erde zum Mond bis auf wenige Nanometer – also Milliardstel Meter – genau bestimmen.

Zusätzlich ist die erreichte Präzision trotz Laserlichtverbindung für kommende Experimente eine gute Nachricht. Denn einige Experimente, die sich die besondere Genauigkeit von optischen Atomuhren zunutze machen wollen, benötigen solche Übertragungsstrecken. So sollen etwa in der Geodäsie optische Atomuhren genutzt werden, um extrem genaue Höhenprofile von schwierigem Terrain zu erstellen oder die Tiefe von Ozeanen genauer zu vermessen. Zusätzlich könnten optische Atomuhren in Zukunft eine noch exaktere Definition der Sekunde als Zeitstandard ermöglichen.