Drei violette Laserstrahlen bilden ein optisches Gitter, das von einem blauen Strahl durchzogen wird.

Quantengas für genauere Atomuhren

Physiker um Jun Ye vom National Institute of Standards and Technology in Boulder haben einen neuen Rekord für die Präzision einer Atomuhr aufgestellt: Mit einer neuen Methode verringerten sie die Ungenauigkeit auf einen Rekordwert von 5 × 10-19. Das bedeutet, dass die Atomuhr innerhalb eines Jahrtausends nur eine Abweichung von wenigen Milliardstel Sekunden aufweist. Über seinen Erfolg berichtet das Team nun in der Fachzeitschrift „Science“.

Mit drei gekreuzten Laserpaaren fingen Ye und seine Kollegen in ihren Experimenten eine Wolke aus rund 10 000 Strontiumatomen ein. In dem dreidimensionalen Lichtgitter bildeten die Atome ein sogenanntes Quantengas, in dem sie sich gegenseitig nicht mehr stören, beispielsweise durch Zusammenstöße. Ein elektronischer Übergang der Strontiumatome gab nun den Takt der optischen Atomuhr vor.

Tiefgekühlt auf wenige Nanograd über dem absoluten Nullpunkt ließ sich die Frequenz eines Lasers exakt auf diesen elektronischen Übergang zwischen zwei Energieniveaus des Strontiumatoms abstimmen und mit bisher unerreichter Präzision vermessen. Mit dieser Synchronisation ermittelten die Forscher für die Frequenz einen Wert von 368,5547264 Terahertz. Eine Sekunde ergibt sich entsprechend aus 368,5547264 Billionen Schwingungen.

Einzigartig ist bisher der dreidimensionale Aufbau der neuen Atomuhr. Damit ließen sich deutlich mehr Strontiumatome einfangen als mit bisher genutzten zweidimensionalen optischen Gittern. Der Vorteil: Je mehr Strontiumatome gefangen und kontrolliert werden, desto mehr resonante Übergänge können die Forscher in einem bestimmten Zeitraum vermessen. „Das wichtigste Potenzial des dreidimensionalen Quantengases liegt in der größeren Anzahl an Atomen, wodurch sich die Stabilität deutlich verbessern ließ“, bestätigt Ye.

Mit ihrem Prototyp einer dreidimensionalen optischen Atomuhr legen die Wissenschaftler eine wichtige Grundlage für noch genauere Atomuhren. So planen Ye und sein Team, die Anzahl der eingefangenen Strontiumatome bis auf 100 000 zu erhöhen. Parallel könnte der würfelförmige Raum, den die Atome einnehmen, auf wenige Dutzend Mikrometer schrumpfen.

Damit rechnen sich die Wissenschaftler gute Chancen aus, den Titel der präzisesten Atomuhr weiterhin in ihrem Institut zu halten. Exakt tickende Atomuhren bilden nicht nur die Grundlage für eine genaue Positionsbestimmung mit Satelliten, sondern beispielsweise auch für Experimente zur Überprüfung physikalischer Phänomene.