Neuer Lasertyp soll Atomuhren genauer ticken lassen

Boulder (USA) – Schon heute weichen die besten Atomuhren nur eine Sekunde binnen 300 Millionen Jahren von der exakten Zeit ab. Dennoch streben Wissenschaftler für eine bessere Ortsbestimmung per Satellit oder zur Überprüfung fundamentaler Gesetze der Physik immer genauere Zeitmesser an. Physiker entwickelten dazu einen neuen Lasertypus, der – so paradox es klingen mag – möglichst wenige Lichtteilchen aussendet. Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten, konnten sie mit ihrem Prototyp die Laserfrequenzen weiter stabilisieren und so die Basis für genauere Atomuhren schaffen. 

Blick in die etwa zwei Zentimeter kleine Atomfalle
Atomfalle

 „Unser ‚superradianter’ Laser strahlt wirklich sehr schwach, etwa eine Million mal schwächer als ein Laserpointer“, sagt James Thompson vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder. Dafür ist die Frequenz des Lichts bis zu eintausendmal stabiler als bei bisher verfügbaren Lasern. Mit nur geringen Abweichungen im Millihertzbereich können auch die für Atomuhren wichtigen optischen Übergänge angeregter Atome genauer bestimmt werden. Damit ließen sich in Zukunft Atomuhren mit einer vielfach höheren Ganggenauigkeit entwickeln. 

Die erste Etappe auf diesem Weg erreichten Thompson und Kollegen mit einer Atomwolke, die aus etwa einer Million tiefgekühlten, eingefangenen Rubidiumatomen besteht. Der Vorteil: Diese Atome schwangen völlig im Gleichtakt und sendeten beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen streng synchronisiert Lichtteilchen aus. Von diesen Photonen wurden allerdings so wenige erzeugt, dass im Durchschnitt weniger als ein Photon zwischen zwei Spiegeln reflektiert wurde. So schwach der Laserstrahl auch war, gerade wegen der geringen Photonenzahl wurde die Bewegung der Lichtteilchen durch die Reflexionen an den Spiegeln kaum gestört. Hierin liegt die Ursache für die rekordverdächtig kleinen Frequenzabweichungen. 

Eine Atomuhr mit diesem sogenannten superradianten Laser haben die NIST-Forscher bisher noch nicht bauen können. Ihr Versuch zeigte jedoch, dass dies prinzipiell möglich ist. In weiteren Experimenten könnten die Rubidiumatome durch Strontiumatome ersetzt werden, da diese besser für den Bau von Atomuhren geeignet sind. Gelingt dieser Schritt, wären Atomuhren möglich, die innerhalb von mehreren Milliarden Jahren nur eine einzige Sekunde falsch ticken.