Strontium macht die Sekunde genauer

  • 11. July 2013

Bei Vergleichstests zeigen sich optische Gitteruhren den Cäsium-Atomuhren überlegen.

Noch immer sind die Cäsiumatomuhren das Maß aller zeitlichen Dinge, da auf ihrer Mikrowellenfrequenz die Definition der Sekunde beruht und mit ihnen die Koordinierte Weltzeit UTC ermittelt wird. Doch mit den optischen Atomuhren, die optische Übergänge in bestimmten Atomen als Pendelschlag nutzen, erwächst den Cäsiumuhren eine starke Konkurrenz. Jetzt haben Forscher am Observatoire de Paris die Präzision zweier optischer Strontiumuhren mit derjenigen von drei Cäsiumuhren verglichen – und einen klaren Sieger ermittelt.

 Laserdiode regt die Strontiumatome in den beiden Lichtgittern resonant an.

Abb.: Eine Laserdiode (ECDL) regt die Strontiumatome in den beiden Lichtgittern (Sr1 und Sr2) resonant an. Die Frequenz der Laserdiode wird über einen Frequenzkamm und einen Saphiroszillator (CSO) mit drei Cäsiumuhren (FO1, FO2, FOM) verglichen. (Bild: R. Le Targat et al. / NPG)

Die Cäsiumuhren nutzen die beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cäsium-133 zur Zeitmessung. Dabei wird die Sekunde definiert als das 9.192.631.770-fache der Periodendauer des Mikrowellenübergangs zwischen diesen beiden Niveaus. Cäsiumuhren erreichen eine relative Ganggenauigkeit von zirka 3 × 10-16, sodass sie in 100 Millionen Jahren auf eine Sekunde genau gehen.

Viel genauer lässt sich die Zeit mit schmalbandigen optischen Übergängen messen, die eine 100.000-fach größere Frequenz und eine natürliche Linienbreite von weniger als 1 Hz haben. Optische Frequenzen sind zu groß, als dass man sie wie Mikrowellenfrequenzen direkt elektronisch auszählen könnte. Doch mit Frequenzkämmen, für deren Entwicklung Theodor Hänsch und John Hall 2005 den Physik-Nobelpreis erhielten, kann man optische Frequenzen mit Mikrowellenfrequenzen vergleichen und auf diese Weise indirekt bestimmen.

Optische Atomuhren verwenden entweder einzelne Ionen (z. B. Strontium-88, Quecksilber-199 oder Ytterbium-171) in Ionenfallen, oder Ensembles von elektrisch ungeladenen Atomen (z. B. Strontium-87) in Lichtgittern. Den Genauigkeitsrekord hält derzeit das NIST in Boulder, wo eine optische Atomuhr mit einem einzelnen Aluminiumion eine Frequenzgenauigkeit von 9 × 10–18 erreicht hat. Mit einem Ensemble von Neutralatomen in einem Lichtgitter hat man hingegen viele parallel laufende Atomuhren, wodurch sich die Genauigkeit prinzipiell erhöht. An der PTB in Braunschweig hat man mit einer Strontium-Gitteruhr eine Genauigkeit von 2 × 10–16 erzielt, was sich aber noch erheblich lässt.

Jetzt haben Forscher um Jérôme Lodewyck vom Observatoire de Paris den bisher härtesten Vergleichstest zwischen Strontium-Gitteruhren und herkömmlichen Cäsiumuhren durchgeführt. Die beiden verwendeten Gitteruhren nutzten den optischen Übergang bei 698 nm zwischen dem Grundzustand 1S0 und dem metastabilen Zustand 3P0 von neutralen Strontium-87-Atomen, der eine natürliche Linienbreite von 1 mHz hat. Jeweils rund 10.000 Atome wurden aus einer magnetooptischen Falle in einige Tausend Potentialtöpfe eines Lichtgitters geladen.

Das starke Lichtgitter hielt die auf Mikrokelvin gekühlten Atome zwar für mehrere Zehntelsekunden fest, verursachte dabei aber eine erhebliche Verschiebung der atomaren Energieniveaus um einige 10 kHz. Wurde für das Gitter jedoch eine bestimmte „magische“ Lichtwellenlänge benutzt, so ließ sich seine Wirkung auf die atomaren Anregungsfrequenzen im Bereich von Megahertz kontrollieren. Doch auch die umgebende Wärmestrahlung verschiebt die Energieniveaus. Um den störenden Einfluss der Wärmestrahlung möglichst gering zu halten, kühlten die Forscher die Umgebung des Lichtgitters auf ein Kelvin ab.

Mit einer Laserdiode, deren Frequenz mit einem Hohlraumresonator stabilisiert wurde, regten die Forscher die Atome in beiden Lichtgittern zugleich an. Zwei Frequenzregler sorgten durch Rückkopplung dafür, dass für jedes der beiden Gitter die Lichtfrequenz genau auf die Anregungsfrequenz der Atome abgestimmt war. Wie die mehrere Stunden dauernden Messungen zeigten, wichen die Frequenzen der beiden Gitteruhren nur um 0,1 Hz voneinander ab und hatten dabei eine Frequenzunsicherheit von 1,5 × 10–16.

Die Frequenzdifferenz der beiden Strontium-Gitteruhren

Abb.: Die Frequenzdifferenz der beiden Strontium-Gitteruhren liegt bei 0,1 Hz. Das entspricht einer Genauigkeit von 1,5 × 10–16. (Bild: R. Le Targat et al., Nat. Commun.)

Damit übertrafen beide Gitteruhren die Ganggenauigkeit von drei Cäsiumuhren, wie ein direkter Vergleich zeigte. Dazu wurde die optische Frequenz der Laserdiode über einen Frequenzkamm mit der viel kleineren Mikrowellenfrequenz eines kryogenen Saphiroszillators verglichen, der mit einem Wasserstoffmaser stabilisiert wurde. Gleichzeit maßen die drei Cäsiumuhren unabhängig voneinander die Frequenz des Saphiroszillators. Die Frequenzstabilität der Gitteruhren relativ zu den Cäsiumuhren betrug über Stunden hinweg etwa 10–15. Diese verringerte Stabilität lag jedoch nicht an den Gitteruhren, vielmehr gingen die Cäsiumuhren nicht genauer.

Bevor aber die optischen Gitteruhren die Cäsiumuhren bei der Definition der Sekunde und der standardisierten Zeitmessung ablösen, müssen mit ihnen noch mehr Erfahrungen gesammelt werden. Auch ist ein direkter Vergleich von weit entfernten Atomuhren verschiedener Labors erforderlich, um Gangabweichungen zu erkennen und die Präzision durch Mittelung zu erhöhen. Für Mikrowellenfrequenzen wird dies durch Satellitenübertragung gemacht, doch für optische Frequenzen ist eine präzisere Übertragung nötig. Kürzlich haben japanische Forscher den Gang zweier Strontium-Gitteruhren, die 24 km voneinander entfernt waren, über Glasfasern durch Lichtsignale mit einer Genauigkeit von 5 × 10–16 verglichen.

Doch schon jetzt haben Jérôme Lodewyck und seine Kollegen die höhere Ganggenauigkeit der Strontium-Gitteruhren genutzt. Sie haben das Verhältnis der Strontium- und der Cäsiumfrequenz über sechs Monate hinweg beobachtet. Dabei konnten sie neben einer linearen Drift auch ein sinusförmiges Verhalten beobachten. Während die Drift von einer möglichen, extrem langsamen Änderung der Naturkonstanten verursacht werden könnte, deutet die Oszillation auf den jahreszeitlich wechselnden Einfluss der Schwerkraft der Sonne hin.

Rainer Scharf

CT

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