Atomuhr bricht Rekorde

  • 22. April 2015

Optische Strontium-Gitteratomuhr am JILA läuft jetzt noch stabiler und genauer.

Optische Atomuhren, in denen die taktgebenden Atome zu Tausenden mit Licht­gittern festgehalten werden, stehen kurz davor, die Zeitmessung zu revolu­tionieren. Jetzt haben Forscher am JILA in Boulder mit ihrer Strontium-Gitter­atomuhr neue Maßstäbe gesetzt.

Wie Jun Ye und seine Kollegen berichten, erreicht ihre Strontiumuhr eine Genauigkeit von 2,1 × 10–18. Damit verbesserten sie den Rekord, den sie mit einer ähnlichen Atomuhr vor einem Jahr aufgestellt hatten, um mehr als das Dreifache. Die derzeit genaueste Atomuhr würde demnach in 15 Milliarden Jahren, dem Alter des Universums, höchstens um 1 Sekunde vor- oder nach­gehen.

Die Stabilität der verbesserten Strontium-Gitteruhr (schwarze Kreise und rote Linie) übertrifft (insbesondere bei Mittelungsintervallen bei 200 s) deutlich die Stabilität des bisherigen Rekordhalters (blaue gestrichelte Linie; Bild: T. L. Nicholson et al., / NPG)

Abb.: Die Stabilität der verbesserten Strontium-Gitteruhr (schwarze Kreise und rote Linie) übertrifft (insbe­sondere bei Mittelungs­intervallen bei 200 s) deutlich die Stabilität des bisherigen Rekord­halters (blaue gestri­chelte Linie; Bild: T. L. Nicholson et al. / NPG)

Mit dieser enormen Präzision ließe sich die relativistische Gravitations­rotver­schiebung – also die Verlangsamung der Zeit – im Schwerefeld der Erde für Höhen­änderungen von nur 2 cm beobachten. Da sich die Erdober­fläche bewegt, eröffnet dies neue Möglichkeiten für die Geodäsie, aber es schafft auch neue Probleme bei der Einrichtung eines globalen Netzes von entspre­chend genauen und synchronisierten Atomuhren.

Die Strontium-Gitteratomuhr enthielt einige tausend Strontiumatome, auf wenige µK gekühlt und gefangen in einem Lichtgitter aus 400 übereinander gestapelten, pfann­kuchen­förmigen hellen Bereichen von 30 × 30 μm2 Größe. Das Licht­gitter wurde von einem Laser erzeugt, dessen optische Frequenz die Forscher dadurch stabili­sierten, dass sie sie über einen Frequenz­kamm an die Radio­frequenz eines Wasserstoff­masers koppelten.

Ein bestimmter optischer Übergang (1S03P0) der Strontium­atome, der eine Lebensdauer von 160 s und eine Linienbreite von 1 mHz hat, stabilisierte die Frequenz eines roten Dioden­lasers von 698 nm Wellenlänge auf 26 mHz genau. Dazu wurden die Atome im Licht­gitter mit dem Diodenlaser aus dem Grundzustand in den 3P0-Zustand angeregt und die Laserfrequenz so einge­stellt, dass möglichst viele Atome diesen Übergang machten.

Die Frequenz des Diodenlasers legte fest, wie oft die Strontiumuhr in der Sekunde „tickte“, nämlich 430 Billionen Mal. Diese Atomuhr setzt sowohl mit ihrer Genauigkeit als auch mit ihrer Stabi­lität neue Rekorde. Die Genauigkeit bezieht sich darauf, wie präzise die Laser­frequenz auf die Frequenz des atomaren Übergangs abgestimmt ist.

Die Stabilität der Uhr hängt davon ab, wie gleichförmig die einzelnen „Ticks“ der Uhr sind. Je geringer die Stabilität ist, desto länger ist das Zeitintervall, über das man den Gang der Uhr mitteln muss, um die Zeit möglichst genau zu messen. Gitter­uhren laufen so stabil, dass sie bei Mittelung über wenige Sekunden bessere Resultate liefern als andere Atomuhren bei Mittelung über Stunden oder Tage. Hier erreichte die Strontium­uhr das Rekord­ergebnis 2,2 × 10–16 / τ1/2, wobei τ das Mittelungs­intervall in Sekunden ist (s. Abb. oben).

Die erhöhte Stabilität und Genauigkeit der Strontiumuhr beruhen vor allem auf zwei Veränderungen am Aufbau der Uhr. Zum einen haben die Forscher zwei extrem präzise Thermometer in der Vakuum­kammer installiert, in der die Atome festge­halten wurden. Mit den Thermo­metern, von denen eines beweglich ist, können die Temperatur und ihr Gradient am Ort der Atome bestimmt werden.

Das zeitlich veränderliche elektrische Feld der thermischen Strahlung in der Vakuumkammer, die Zimmertemperatur hat, verstimmt den für die Uhr genutzten atomaren Übergang aufgrund des Stark-Effekts. Aus der Kenntnis der Temperatur und ihres Gradienten lässt sich der Einfluss der Wärme­strahlung auf die Strontium­uhr ermitteln.

Zwei Platin-Widerstandsthermometern bestimmten sehr genau die Temperatur und ihren Gradienten in der Vakuumkammer. Daraus ermittelten die Forscher den Einfluss der thermischen Strahlung auf den Gang der Atomuhr. (Bild: T. L. Nicholson et al. / NPG)

Abb.: Zwei Platin-Widerstandsthermometer bestimmten sehr genau die Temperatur und ihren Gradienten in der Vakuum­kammer. Daraus ermittelten die Forscher den Einfluss der thermischen Strahlung auf den Gang der Atomuhr. (Bild: T. L. Nicholson et al. / NPG)

Auch statische elektrische Felder verstimmen durch den Stark-Effekt den atomaren Übergang. Um ihren Einfluss zu kompensieren, haben die Forscher Elektroden außerhalb der Vakuum­kammer angebracht, die kontrolliert zusätzliche elek­trische Felder erzeugen. Den Einfluss des Lichtgitters auf die atomare Anregungs­frequenz konnten sie dadurch ausschalten, dass sie die Wellenlänge des Gitterlasers auf einen „magischen“ Wert einstellten.

Am JILA ist man zuversichtlich, die Präzision und Stabilität der Strontium-Gitteruhr weiter verbessern zu können. Statt des benutzten Lasers mit einer Kohärenz­zeit von 10 s sollten schon bald ultra­stabile Laser zur Verfügung stehen, deren Kohärenz­zeit vergleichbar ist mit der Lebensdauer des Strontium­übergangs. Damit könnte man die Frequenz des Lasers auf 1 mHz genau stabilisieren und Atomuhren bauen, deren Präzision deutlich besser als 10-18 ist. Mit ihnen ließen sich neue Tests der Allgemeinen Relati­vitäts­theorie durch­führen und vielleicht auch die Änderung der Natur­konstanten beobachten.

Rainer Scharf

OD

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