Überprüfung der Naturkonstanten mit dem Takt der Ionen

Ionenfalle

Boulder (USA)/Innsbruck (Österreich) - Heute wird die Zeit über die extrem kurzen Übergänge von Elektronen in Caesium-Atomen bestimmt. Die besten Atomuhren dieser Art gehen in 80 Millionen Jahren gerade mal eine Sekunde falsch. Doch auch andere Elemente wie Strontium oder Quecksilber sind für den Aufbau von überaus exakten Zeitmessern geeignet. Mit Aluminiumionen erweitern nun österreichische und amerikanische Physiker das Ensemble der Atomuhren. Wie sie in einer Vorabveröffentlichung der Zeitschrift "Science" berichten, gelang ihnen dabei auch die bisher genaueste Messung von optischen Frequenzen auf bis 17 Nachkommastellen.

"Das Aluminium-Ion hat einen sehr schmalen Uhrenübergang, der sich zudem als besonders resistent gegenüber äußeren Einflüssen zeigt", sagt Piet Schmidt, der an den Messungen am National Institute of Standards (NIST) in Boulder beteiligt war und nun an der Universität Innsbruck arbeitet. Anders als mit Quecksilberionen, die Zeitmessungen mit einer Abweichung von einer Sekunde in etwa 400 Millionen Jahren erlauben, wird die Aluminiumuhr kaum von magnetischen und elektrischen Feldern gestört. Dass sie dabei etwa 20 Prozent ungenauer tickt, stört die Physiker dabei wenig. Zwar sind diese Uhren wegen des großen experimentellen Aufwands nicht unbedingt als Ersatz für klassische Zeitgeber wie den Caesium-Atomuhren geeignet, doch erlauben sie eine bisher unerreicht genaue Überprüfung von Naturkonstanten, wie beispielsweise der Feinstrukturkonstante.

Eingefangen in einer elektromagnetischen Falle bestimmten Schmidt und seine Kollegen einen extrem schnellen Elektronenübergang in einem Aluminium-27-Ion. Zusammen mit einem Beryllium-Ion kühlten sie das Ensemble mit Lasern fast bis auf den absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius ab. Beryllium dient dabei quasi als Vermittler, um den Elektronenübergang im Aluminium-Ion überhaupt erst bestimmen zu können. Der Schlüssel für die exakte Zeitmessung liegt dabei in der exakten Frequenzkontrolle eines anregenden Lasers. Nur wenn die Resonanzfrequenz des Aluminium-Übergangs genau getroffen wird, kann ein Zeitsignal gewonnen werden.

Dieser Schritt ist möglich mit einem Frequenzkamm, für den der deutsche Physiker Theodor W. Hänsch 2006 mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet wurde. Die hohen optischen Frequenzen konnten so bis auf 5,2 x 10-17 genau bestimmt werden. "Das ist, wie wenn man den Abstand der Erde zur Sonne auf ein Zehntel des Durchmessers eines Haares bestimmen könnte, und damit ein Weltrekord", sagt Schmidt.

Für neue Atomuhren, die die Sekunde genauer definieren könnten, werden solche Ionen-Uhre wegen des großen experimentellen Aufwands, wahrscheinlich nicht genutzt werden. Doch erlauben sie den Physiker bisher unerreicht genaue Messungen, bespielsweise für die Überprüfung von Naturkonstanten. Genau diesen Schritt gingen die Forscher nun auch am NIST. Ihr Ergebnis: Die Feinstrukturkonstante weicht pro Jahr weniger als der 100 millionste Teil eines Milliardstel Prozents ab. Sie kann also weiterhin – wie erwartet – als wirklich konstant und unveränderlich gelten.