Neuer Rekord für Stabilität von Atomuhren

Extrem genaue Atomuhren benötigen auch eine hohe Stabilität, um für anspruchsvolle Experimente etwa zur Überprüfung fundamentaler Konstanten eingesetzt werden zu können. Einen neuen Rekord für diese Stabilität von Atomuhren stellten nun Wissenschaftler um Andrew Ludlow vom National Institute of Standards and Technology auf. In der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ präsentierte das Team einen Aufbau, in dem zwei optische Ytterbium-Atomuhren miteinander gekoppelt sind.

Ytterbium-Atomuhr
Ytterbium-Atomuhr

„Wir eliminierten ein kritisches Rauschen beim Betrieb der Atomuhren“, beschreibt Ludlow. Die Stabilität von Atomuhren beschreibt, wie exakt jedes einzelne Zeitintervall mit den vorhergehenden und nachfolgenden Zeitintervallen übereinstimmt – und ist damit ein Maß für ein gleichmäßiges Ticken einer Atomuhr. Im neuen Versuchsaufbau weichen aufeinanderfolgende Zeitintervalle um maximal 6 × 10-17 Sekunden voneinander ab. Dieser neue Rekordwert wurde mit zwei miteinander gekoppelten optischen Atomuhren möglich, in denen jeweils bis zu 10 000 Ytterbiumatome in einem Gitter aus Laserstrahlen eingefangen waren. Ein Zeitintervall dieser Uhren entsprach dem Übergang zwischen zwei angeregten Zuständen der Ytterbiumatome.

Im Betrieb stimmten die Forscher die Frequenz eines Lasers genau auf die Frequenz des Übergangs zwischen den beiden Energieniveaus des Ytterbiumatoms ab. Über die Kopplung zweier solcher Uhren konnte dieser Laser nun abwechselnd auf beide optischen Gitter mit den Ensembles aus Ytterbiumatomen wirken. Dadurch standen die winzigen, aber möglichen Frequenzfluktuationen des Laserlichts ständig unter Kontrolle – mal für die erste, mal für die zweite Atomuhr. Diese ununterbrochene Nutzung des anregenden Lasers hat den Vorteil, dass die Fluktuation der Laserfrequenz nicht mehr unkontrolliert ablaufen kann. Ein darauf basierender Störeffekt auf die extrem genaue Zeitmessung tritt folglich nicht mehr auf.

Mit diesem Aufbau limitiert nun erstmals der schnelle Wechsel der Energiezustände im Ytterbiumatom und nicht mehr die Frequenzgenauigkeit des Lasers die Stabilität der Atomuhr. Denn die kleine, aber bisher vorhandene Fehlerquelle der unkontrollierten Frequenzfluktuationen des Laserlichts fiel mit der Atomuhrkopplung weg. Ludlow und seine Kollegen halten es auf der Basis ihrer Ergebnisse für möglich, sogar tragbare optische Ytterbiumatomuhren zu entwickeln, die in Zukunft etwa an Bord eines Satelliten eingesetzt werden könnten.