In der PTB wurde eine optische Atomuhr entwickelt, die hinsichtlich Stabilität und Genauigkeit den heute besten Caesiumatomuhren überlegen ist. Optische Atomuhren benutzen einen frequenzstabilisierten Laser als Pendel und einen optischen Frequenzkamm als Uhrwerk. „Für ihre Beiträge zur Entwicklung der auf Laser gegründeten Präzisionsspektroskopie, einschließlich der optischen Frequenzkammtechnik“, die diese Uhren erst möglich machten, erhalten Prof. Theodor W. Hänsch, seit 1999 Kurator der PTB, und der US Wissenschaftler Prof. John L. Hall die Hälfte des diesjährigen Nobelpreises für Physik. Die gewürdigten Arbeiten sind eng verknüpft mit den genauesten Messungen von Länge und Zeit und der Erforschung der Grundlagen unseres Einheitensystems.

In der PTB werden schon seit längerem Laser mit immer genauer bekannter Wellenlänge und Frequenz zur höchstpräzisen Längenmessung und als Frequenznormale entwickelt und eingesetzt. Eine Laserfrequenz, die auf einen Übergang in einem einzelnen gespeicherten Ytterbium-Ion stabilisiert ist, wurde jetzt mittels einer Cäsiumuhr bis auf eine relative Unsicherheit von 3^.10^-15 bestimmt. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass die Frequenzen zweier, auf einzelnen Ionen basierender Frequenznormale im Rahmen einer Messunsicherheit von 6^.10^-16 übereinstimmen [1]. Damit sind nun optische Atomuhren realisierbar, die hinsichtlich ihrer Stabilität und Genauigkeit den besten heutigen Cäsiumuhren überlegen sind. Dies könnte in Zukunft zu einer Neudefinition der Zeiteinheit führen.

Möglich wurde diese Entwicklung dadurch, dass die Frequenzschwankungen der benutzten Laser gezähmt und die hohen optischen Frequenzen mit Hilfe der von Hänsch und Hall entwickelten "Frequenzkämme" elektronisch verglichen und gezählt werden können. Schon 1995 war erstmals eine direkte, phasenstabile Frequenzmessung von sichtbarer Laserstrahlung mit der an der PTB aufgebauten "harmonischen Frequenzkette" möglich. Diese wurde auch für die von Prof. Hänsch durchgeführten Messungen von optischen Frequenzen des Wasserstoffatoms genutzt. Erst die Pionierarbeiten in Hänschs Arbeitsgruppe zur Entwicklung des optischen Frequenzkamms Ende der neunziger Jahre brachten aber den Durchbruch zu einer einfacheren und universell einsetzbaren Technologie, die seitdem weite Verbreitung gefunden hat. Neben anderen Instituten entwickelt die PTB die Frequenzkammtechnologie weiter [2] und setzt sie für höchstgenaue Messungen optischer Frequenzen und Wellenlängen, aber auch zur Entwicklung einer neuartigen elementspezifischen Mikroskopie ein. Optische Atomuhren und deren Vergleich mit den besten Cäsiumatomuhren sind heute so genau, dass damit neue obere Grenzen für mögliche zeitliche Veränderungen von Naturkonstanten ermittelt werden können [3]. Die "Konstanz der Konstanten", eine wichtige Grundlage unseres heutigen Systems der Einheiten, kann so überprüft werden.

[2] H.R. Telle, G. Steinmeyer, A.E. Dunlop, J. Stenger, D.H. Sutter, U. Keller: Carrier-envelope offset phase control: A novel concept for absolute optical frequency measurement and ultrashort pulse generation. Appl. Phys. B 69, 327 (1999)

[3] E. Peik, B. Lipphardt, H. Schnatz, T. Schneider, Chr. Tamm, S. G. Karshenboim: New limit on the present temporal variation of the fine structure constant. In: Atomic Physics 19, Proceedings of the 19th ICAP, Eds.: L. G. Marcassa, V. S. Bagnato, K. Helmerson, AIP Conf. Proc. Vol. 770, AIP, New York, 2005, p. 103-111