Quecksilber-Atomuhr hält neuen Rekord in Genauigkeit

Keine Sekunde zu schnell oder zu langsam über 400 Millionen Jahre -- das liefert die genaueste Uhr der Welt in den USA, die mithilfe eines Quecksilber-Ions arbeitet.

Boulder (USA) - Damit ist sie fünfmal zuverlässiger als die bisher genauesten Atom-Uhren auf Cäsiumbasis, die derzeit weltweit den Zeitstandard liefern. Die neue Uhr, noch im Versuchsstadium, hat ihre Zuverlässigkeit über fünf Jahre voller Messungen bewiesen, berichten die Forscher im Fachblatt "Physical Review Letters". Sie gehört zum Typ der so genannten optischen Uhren, die als vielversprechendste Nachfolger der 50 Jahre alten Cäsiumuhren gelten. Optische Uhren arbeiten mit Schwingfrequenzen an der Grenze zum sichtbaren Licht, schwingen also rund 75.000mal öfter als die Atome der Cäsiumuhren mit Frequenzen im Mikrowellenbereich. So können sie die Zeit in deutlich feinere und präzisere Abschnitte unterteilen.

"Wir sind endlich das Problem der systemischen Störungen in der Quecksilberuhr angegangen, sie können kontrolliert werden, und wir wissen um die Ungenauigkeiten", erklärt Jim Bergquist, Hauptautor und Physiker am US-amerikanischen Institut für Standards und Technologie (NIST). Den ersten Prototyp der optischen Quecksilberuhr präsentierte das Team im Jahr 2000, seitdem musste er seine Genauigkeit im Vergleich zum bisherigen US-Standard, der NIST-F1-Cäsiumuhr beweisen. NIST-F1 arbeitet mit einer so genannten "Cäsiumfontäne", die über das Leuchten zum Schwingen angeregter Cäsiumatome und deren Schwingungsfrequenz eine Sekunde berechnen. Die neue, optische Uhr jedoch nutzt die noch schnelleren Schwingungen eines Quecksilber-Ions, das in einer ultrakalten so genannten "Magnetfalle" fest sitzt. "Indem wir seine Frequenz im Bezug auf den Hauptstandard NIST-F1 gemessen haben, konnten wir die bislang präziseste absolute Messung einer optischen Frequenz leisten", so Bergquist, "Und in den letzten Messungen konnten wir auch nachweisen, dass die Genauigkeit des Quecksilber-Ionen-Systems der der besten Cäsiumuhren überlegen ist".

In Deutschland liegen der Zeitstandard und die zuständige Cäsium-Fontänen-Uhr CSF1 in den Händen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Auch dort arbeiten die Forscher an einer optischen Uhr für bessere Genauigkeit. Anfang des Jahres gelang ihnen ein großer Schritt in diese Richtung mithilfe eines einzelnen Ytterbium-Ions, einer Ionenfalle und eines Femtosekunden-Kammgenerators zur Anregung. Das PTB-Team hatte die Frequenz über mehrere Tage hin mit den Frequenzen von CSF1 und eines kurzzeitstabileren Wasserstoffmasers verglichen. Auf kurze Zeit zeigte sich bereits eine höhere Stabilität und Präzision dieses Prototyps. Beide optische Uhren sind allerdings noch weit von ihrem Einsatz als Standard-Zeitmesser entfernt. Bislang gilt das heutige weltumspannende Netz der Cäsiumuhren als verlässlicher Standard.

Präzisere Zeitmessung, weit jenseits der menschlichen Vorstellungskraft, haben für den Alltag der Menschen dennoch einen Einfluss: Die ultragenauen Uhren dienen als Standard für Navigationssysteme wie GPS und für Telekommunikation, ob drahtlos, im Netzwerk oder mit Satelliten und Sonden tief im Weltall. Auch der Medizintechnik und Sicherheitsanwendungen helfen präzisere Frequenzstandards, bei der Anwendung von Magnetfeldern und Gravitationsfeldern.