Atomuhr: Strontium tickt genauer als Cäsium

Im Wettlauf um die genaueste Atomuhr setzen sich amerikanische Physiker an die Spitze. Am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder erreichten sie mit Strontium-Atomen einen neuen Rekordwert für Atomuhren mit neutralen Teilchen.

Prinzip der Strontium-Atomuhr
Prinzip der Strontium-Atomuhr

Boulder (USA) - Wie die Forscher in einer Vorabveröffentlichung der Zeitschrift "Science" berichten, geht ihre Strontium-Uhr in 200 Millionen Jahren gerade mal eine Sekunde falsch. Moderne Atomuhren mit Cäsium-Atomen erreichen diese Abweichung "schon" in 80 Millionen Jahren.

Diese Suche nach immer genaueren Uhren ist nicht nur ein akademischer Wettlauf zwischen Physikern. Denn viele Bereiche -- von der Positionsbestimmung mit Satelliten über die Synchronisation von Datennetzwerken bis zu Experimenten von Quantenphysikern -- profitieren von einer immer exakteren Zeitmessung. Für den nächsten Schritt für eine genauere Zeit fing die Arbeitsgruppe um Jun Ye etwa 4000 Strontium-Atome in einem optischen Gitter ein. Dieses erzeugten sie mit Infrarot-Lasern, die mit sich kreuzenden Lichtwellen eine Kolonne aus etwa 100 Atomfallen in der Form von winzigen Pfannkuchen bildeten. Mit diesem künstlichen Lichtkristall reduzierten sie effektiv die Bewegung der Strontium-Atome, die sonst die Genauigkeit der Atomuhr verringern würde.

Strontium-Uhren können genauer laufen als Cäsium-Uhren, da sie die höhere Frequenz eines schnellen Elektronenübergangs nutzen. Rund 430 Billionen Mal pro Sekunde springen die Elektronen zwischen diesen beiden Energieniveaus hin und her. Mit der Hilfe eines optischen Frequenzkamms, für dessen Erfindung der deutsche Physiker Theodor Hänsch 2005 den Physik-Nobelpreis erhielt, können diese hohen Frequenzen exakt bestimmt werden. "Und zum ersten Mal konnten wir die Strontium-Uhr mit anderen optischen Atomuhren vergleichen", sagt Jun Ye, der die Entwicklung am NIST und an der University of Colorado leitet. Neben dem Bau der eigentlichen Uhr ist dies ein wichtiger, zentraler Schritt für den Einsatz einer neuen Atomuhr. Das Zeitsignal der Strontium-Uhr verglichen die Forscher über ein knapp vier Kilometer langes Glasfaserkabel mit dem Signal der Cäsium-Uhr NIST-F1.

Noch genauer ticken heute Uhren mit Quecksilber-Ionen mit einer Abweichung um eine Sekunde in etwa 400 Millionen Jahren. Doch laufen sie nicht so zuverlässig wie Systeme, die auf Elektronenübergänge in neutralen Atomen aufbauen. Die NIST-Forscher planen nun, ihre empfindliche Strontium-Uhr an weitere Einrichtungen zu schicken, um ihre Ganggenauigkeit zu überprüfen.