Optische Uhr mit Aluminium-Ion als Frequenzgeber bricht den bisherigen Genauigkeitsrekord und übertrifft Atomuhren um ein Vielfaches

Boulder (USA) - Nur eine Sekunde Verzögerung alle 3,7 Milliarden Jahren - mit dieser Genauigkeit bricht eine optische Uhr in den USA alle Genauigkeitsrekorde und könnte in fernerer Zukunft die heutigen Atomuhren als Zeitgeber ersetzen. Herzstück der tischgroßen Metallkonstruktion ist ein einzelnes tiefgekühltes Aluminium-Ion. Es schwebt in einem elektrischen Feld und vibriert mit einer Frequenz im Bereich von UV-Licht - rund hunderttausend Mal schneller als die Mikrowellenschwingungen, die bei aktuellen Atomuhren zum Einsatz kommt. Damit läuft die neue Uhr doppelt so exakt wie der bisherige Rekordhalter mit einem Quecksilber-Ion als Herzstück. Heutige Atomuhren auf Basis von Cäsium-Atomen, die die Grundlage für den offizielle Zeitstandard und etwa das GPS-System bilden, verlieren eine Sekunde rund alle 100 Millionen Jahre. In naher Zukunft dürften sie auch Standard bleiben, so die Forscher in den "Physical Review Letters", da die optischen Uhren - bei aller Genauigkeit - noch nicht ausgereift seien.

"Optische Uhren sind erst in den Anfängen, zum Standard zu werden", erklärt Chin-Wen Chou, Gastforscher am US-National Institute of Standards and Technology (NIST). "Menschen rund um die Welt müssen in der Lage sein, solche Vorrichtungen zu konstruieren und sich auf die Frequenzen einigen". Chou, Till Rosenband und Kollegen konstruierten ihren Rekordhalter mithilfe eines Tricks. Um das Aluminium-Ion wie gewünscht nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt schwingen zu lassen, obwohl es sich nur schwer kühlen lässt, koppelten sie es mit einem Magnesium-Ion. Die Schwingungsfrequenz in einer schmalen optischen Absorptionslinie liefert die stabile Referenzfrequenz für das Uhrensystem. Dazu kommt ein Feedback-System, das die Schwingungen eines Lasers mit dieser Frequenz in Verbindung bringt, sowie eine Komponenten, meist ein so genannter Frequenzkamm, der die Laserfrequenz hochpräzise misst.

Die Forscher waren in der Lage, eine zweite Uhr derselben Art zu konstruieren, da solche Nachbauten nötig sind, um einst einen internationalen Standard zu schaffen. Der dürfte noch eine gute Zeit auf sich warten lassen und könnte dann auch auf anderen Ionen beruhen, etwa auf Indium oder Ytterbium, womit zurzeit experimentiert wird. Die beiden NIST-Uhren jedoch zeigten im Vergleich schon einmal eine sehr hohe Übereinstimmung: Sie unterschieden sich in der Frequenz erst an der 17. Stelle nach dem Komma - damit liegen sie zehnmal besser als gängige Atomuhren.