Überblick

Die Optik macht es noch genauer

Die wesentlichen Schritte auf dem Weg zu einer Neudefinition der Sekunde über optische Übergänge sind gelungen.

  • Fritz Riehle
  • 03 / 2018 Seite: 39

Seit mehr als fünfzig Jahren ist die Sekunde im Inter­nationalen Einheitensystem über den Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Cäsiumatomen definiert. Atomuhren, die auf der Messung dieses Übergangs basieren, haben inzwischen eine relative Unsicherheit im Bereich von 10–16 erreicht. Atomuhren jedoch, die auf optischen Übergängen basieren, versprechen eine um zwei Größenordnungen höhere Genauigkeit und legen damit eine Neudefinition der Sekunde nahe.

Mache keine Messung, wenn es nicht eine Frequenzmessung ist! Diesen Rat hat Arthur Schawlow seinem Kollegen Theodor Hänsch mit auf den Weg gegeben [1]. Beide sind damit gut gefahren, denn jeder hat später einen Nobelpreis für Arbeiten erhalten, die in engem Zusammenhang mit optischen Atomuhren stehen. Bei diesen wird in den Atomen ein Quantenübergang mit extrem schmaler Linienbreite angeregt, der darüber hinaus möglichst unempfindlich gegen äußere Störungen ist. In der Cäsium-Atomuhr ist dies der Hyperfeinstruktur­übergang im Grundzustand von atomarem Cäsium, der sich mit einer Radiofrequenz von 9 192 631 770 Hz anregen lässt. Dieser Übergang definiert seit 1967 die Sekunde als Basis­einheit des Internationalen Ein­heitensystems [2]. Seither verringerte sich die Un­sicherheit, mit der diese Frequenz in den besten Cäsiumuhren realisiert ist, um etwa fünf Größen­ordnungen (Abb. 1). Das war unter anderem mithilfe lasergekühlter Atome möglich – eine Methode, die auf einen Vorschlag von Hänsch und Schawlow zurückgeht. Damit gelang es, die Wechselwirkungszeit der Cäsiumatome mit der Radio­frequenz um Größen­ordnungen zu verlängern und damit die in der Uhr aufgelöste Linien­breite zu verringern – diese entspricht nach Fourier der rezi­proken Wechsel­wirkungszeit. (...)

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