Überblick

Uhren mit Spin

Kernspinpolarisierte Edelgase können zur präzisen Frequenz- und Magnetfeldmessung dienen.

  • Werner Heil
  • 02 / 2016 Seite: 23

Spinuhren, basierend auf den kernspinpolarisierten Edelgasen 3He und 129Xe, erschließen neue Wege in der Präzisionsmessung. Die einfachste Bauart einer solchen Uhr ist ein Spin-1/2-System, das analog zur Kreiselbewegung um die Gravitationsachse eine freie Spinpräzession um die Magnetfeldachse ausführt. Mögliche Anwendungen reichen von der Magnetometrie bis zu Uhrenvergleichsexperimenten zum Test fundamentaler Symmetrien in der Natur.

Selten beschwert sich jemand über die Genauigkeit moderner Uhren – obwohl sie oft schneller zu laufen scheinen, als manchem lieb ist. Billige Quarzuhren gehen nur um etwa eine Sekunde pro Woche falsch, und selbst mit einer mechanischen Armbanduhr muss man keinen Termin versäumen. Für höhere Ansprüche – etwa beim Datenaustausch mit Raumsonden oder der satellitengestützten Ortung von Schiffen und Flugzeugen – sind jedoch Atomuhren erforderlich, die in einer Million Jahre höchstens um eine Sekunde vor- oder nach­gehen. Auf den ersten Blick scheint es für noch genauere Zeitmessung weder technischen Spielraum noch Bedarf zu geben. Doch bei einigen Anwendungen stoßen heutige Apparate inzwischen an ihre Grenzen. Um relativistische Effekte und fundamentale Naturkonstanten überprüfen zu können, sind noch zuverlässigere Geräte erforderlich. In allen heute verwendeten Uhren bildet ein schwingungsfähiges System die Grundlage der Zeitmessung. Das muss bei Weitem keine Atomschwingung sein, es kann ein Pendel, eine Unruh, eine Stimmgabel oder ein Quarzkristall sein. Wichtig ist nur, dass die Schwingungszeit des Gangreglers möglichst konstant ist, damit für die Zeitmessung ein Vergleichsnormal zur Verfügung steht. Ein weiteres Bauelement jeder Uhr ist ein Energiespeicher, aus dem der Schwinger so viel Energie erhält, dass er trotz unvermeidlicher „Reibungsverluste“ weiter arbeitet...

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