Optische Atomuhren zunehmend im Gleichtakt

  • 11. February 2015

Japanische Physiker beziffern störenden Einfluss von Schwarz­körper­strahlung bei zwei Strontium-Atomuhren.

Dank schneller Strahlungsübergänge im sichtbaren Spektrum liefern optische Atomuhren einen viel genaueren Zeittakt als etablierte Cäsium-Zeitmesser, die auf der Emission von Mikrowellen basieren. Bisher wird die Zeiteinheit Sekunde als das 9.192.631.770-fache der Periodendauer eines Übergangs von Cs-133 definiert. Um optische Atomuhren mit besseren Gang­genauigkeiten von etwa 10-18 für eine weltweit genormte Zeitmessung oder gar für eine neue Definition der Atomsekunde nutzen zu können, müssen deren Messwerte unabhängig von Ort vergleichbar sein. Diesem Ziel sind nun japanische Physiker mit zwei Strontium-Atomuhren einen Schritt näher gekommen.

Abb.: Zwei optische Atomuhren im japanischen RIKEN-Labor: Tiefgekühlte Strontiumatome geben über die Emission von Lichtpulsen den Zeittakt vor. (Bild: OML / RIKEN)

Abb.: Zwei optische Atomuhren im japanischen RIKEN-Labor: Tiefgekühlte Strontiumatome geben über die Emission von Lichtpulsen den Zeittakt vor. (Bild: OML / RIKEN)

Mit ihren Uhren erreichten Hidetoshi Katori und seine Kollegen vom Quantum Metrology Laboratory der japanischen Forschungs­gemeinschaft Riken eine reproduzierbare Ganggenauigkeit von 2 × 10-18 – das entspricht einem Fehler von einer Sekunde etwa alle 16 Milliarden Jahre. Dabei konnten sie eine wichtige Fehlerquelle für die Zeitmessung genau bestimmen und damit berechenbar machen: den Einfluss von Wärme­strahlung auf den Übergang 3P0 → 1S0 .

Dabei springen die Elektronen zwischen zwei Energieniveaus hin und her und senden messbare Lichtpulse mit einer Wellenlänge von 698 Nanometer aus. Dieser schnelle Takt legt die Grundlage für die extrem genaue Zeitmessung, die mindestens einen Faktor 1000 über den von herkömmlichen Cäsium-Systemen liegt. Dafür kühlten Katori und Kollegen – wie schon andere Forscher an Normungs­instituten in Deutschland (PTB) und den USA (NIST) – Stromtiumatome bis auf wenige Mikrokelvin ab. In einem Lichtgitter aus sich kreuzenden Laserstrahlen konnten die Atome für eine genaue Messung fixiert werden. Nach diesem Konzept bauten die Wissenschaftler gleich zwei Strontium-Uhren, um über Vergleichs­messungen deren hohe Gang­genauigkeit bestätigen zu können.

Bei ihren Versuchen stand für die Arbeits­gruppe besonders eine Fehlerquelle, die die empfindliche Zeit­messung störte, im Mittelpunkt. So beeinflusste die Wärme, die die gesamte Atomuhr-Konstruktion abstrahlte, die Frequenz der ausgesendeten Lichtpulse mit Abweichungen von bis zu 2,5 Hertz. Da sich dieser Fehlerfaktor nicht vermeiden ließ, wollten Katori und Kollegen zumindest dessen Temperaturabhängigkeit exakt bestimmen. Das gelang ihnen, indem sie das Verhalten der Strontiumatome über einen Temperatur­bereich zwischen minus 178 und 27 Grad analysierten. Dabei mussten die tiefgekühlten Atome aufwändig zwischen einer magneto-optischen Falle und dem optischen Gitter aus Laserstrahlen adiabatisch transferiert werden. Ergebnis war eine Art Eichkurve, mit der nun der Takt von unterschiedlich warmen Strontium-Uhren korrigiert und damit vergleichbar werden könnte.

„Das ist ein wichtiger Punkt, um die Genauigkeit dieser Atomuhren noch weiter zu verbessern “, sagt Katori. Zudem seien seine Ergebnisse auch auf andere Taktsysteme, die etwa auf Ytterbiu­matomen basieren, übertragbar. Die aktuellen Resultate bestätigten zudem die Wärme­abhängigkeit der Gang­genauigkeit durch die Schwarzkörperstrahlung, die Forscher der Physikalischen Technischen Bundesanstalt in Braunschweig bereits vor wenigen Jahren ermittelt hatten.

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 und die Basis für eine neue Definition der Zeiteinheit Sekunde liefern könnten. Denn neben der Wärmestrahlung gibt es noch weitere Fehler­quellen wie 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 Strontium-Uhren noch besser vergleichbar werden. Katori will dabei nicht ausschließen, die Gang­genauigkeit noch ein Stück weiter bis in die Größen­ordnung 10-19 treiben zu können. „Die Zeit für aufregende neue Anstrengungen hat gerade erst begonnen“, sagt Katori.

Jan Oliver Löfken

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