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Sekunde

Nachricht des Jahres im PTB-Jahresbericht 2015
01.04.2016

Seit der Neudefinition der SI-Basiseinheit Sekunde im Jahr 1967 sind die primären Caesium-Atomuhren, die die Zeiteinheit „Sekunde“ realisieren, in jeder Dekade um etwa eine Größenordnung genauer geworden. Neuerdings sind allerdings optische Atomuhren, bei denen statt des Mikrowellenübergangs im Caesium eine scharfe Linie im optischen Spektralbereich mit einem Laser abgefragt wird, den besten Caesium-Atomuhren hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Stabilität um Größenordnungen überlegen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, zu gegebener Zeit die SI-Sekunde über einen geeigneten optischen Übergang zu definieren.

Vorgekühlte Sr-Atomwolke mit einer Temperatur von wenigen milli-Kelvin. Nach einer Reduktion der Temperatur der Atome um einen weiteren Faktor 1000 durch Laserkühlung mit rotem Licht, dienen sie als Referenz in der Gitteruhr der PTB.

Gegenwärtig gibt es weltweit ein heißes Rennen darum, welche Technologie sich langfristig als die Methode der Wahl für eine Neudefinition erweisen wird: Einzelne Ionen, die in einer Radiofrequenzfalle gespeichert sind, oder viele Neutralatome, die in einem optischen Gitter gegen das Schwerefeld der Erde gehalten werden. Daher hat die PTB es sich zur Aufgabe gemacht, beide Technologien zu untersuchen und damit optische Atomuhren höchster Genauigkeit zu entwickeln.

Wichtige Ergebnisse des Jahres 2015 waren die Evaluation der Yb+-Uhr mit einer systematischen Unsicherheit von 3 ∙ 10–18 und der erstmalige Vergleich zweier optischer Gitteruhren mit Sr über eine Faserverbindung zwischen Braunschweig und Paris. Die PTB verfügt wie nur wenige Laboratorien weltweit über ein Ensemble unterschiedlicher optischer Uhren, das es erlaubt, in Frequenzvergleichen zuverlässige Evaluationen im Unsicherheitsbereich besser als mit primären Cäsiumuhren durchzuführen.

So wurde das Frequenzverhältnis der Yb-Einzelionenuhr und der Sr-Gitteruhr über einen Zeitraum von mehr als zwei Jahren mehrfach bestimmt, was Rückschlüsse auf Stabilität und Reproduzierbarkeit sowie Genauigkeit der beiden Uhren erlaubt. Gleichzeitig gibt diese Messung auch eine deutlich verbesserte Grenze für eine etwaige Drift fundamentaler Konstanten, die von den meisten Versuchen, die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu verbinden, vorhergesagt wird. Mit diesen optischen Uhren besitzt die PTB die genauesten Messgeräte, die es erlauben, die grundlegenden Theorien zu testen und damit eventuell auch neue Physik zu entdecken.