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Optische Strontium-Uhr wird viel genauer

PTB misst erstmals den Einfluss der Raumtemperatur auf die Strontiumatome - Messunsicherheit um eine Größenordnung reduziert

02.01.2013

Eine optische Uhr mit neutralen Strontiumatomen gilt als einer der heißesten Kandidaten für die Definition einer "neuen" Sekunde. Ihre Chancen sind jetzt deutlich erhöht worden, denn ab jetzt wird man ihre Frequenz vermutlich um eine Größenordnung genauer bestimmen können. Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) legten die Grundlage dafür, indem sie den Einfluss des wichtigsten Unsicherheitsfaktors, der Raumtemperatur, erstmals maßen. Bisher konnte er nur theoretisch hergeleitet werden. Ihre Ergebnisse, die in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht sind, dürften auch in der Geodäsie und in der Grundlagenphysik - konkreter: bei der Untersuchung der Frage, ob Naturkonstanten wirklich konstant sind - großes Interesse wecken.

Blick in die Ultrahochvakuumkammer, in der Strontiumatome gekühlt und gespeichert werden. Im oberen Drittel des Fensters ist das blaue Fluoreszenzlicht einer Wolke kalter Strontiumatome zu sehen (das tropfenförmige Gebilde unter dem blau fluoreszierenden Atomstrahl im oberen Teil des Vakuumfensters). (Abb.: PTB)

Optische Uhren gelten als die Uhren der Zukunft - und das gleich aus mehreren Gründen: Sie könnten dafür sorgen, dass die SI-Basiseinheit Sekunde (ohnehin schon die genaueste aller SI-Basiseinheiten) noch einmal genauer realisiert werden kann. Dann würde ihre Definition nicht mehr auf der Wechselwirkung zwischen Mikrowellenstrahlung und Cäsiumatomen beruhen, sondern von optischer Strahlung und Strontium- (oder auch anderen) Atomen oder Ionen. Aber auch schon vor einer Neudefinition sind die optischen Uhren von Nutzen etwa in der Geodäsie, wo sie helfen können, das Geoid der Erde (also quasi die exakte Lage von "Normalnull") noch genauer zu bestimmen als bisher. Und Grundlagenphysiker bekommen mit ihnen das ersehnte Instrument in die Hand, um eventuelle Änderungen von Naturkonstanten, etwa der Feinstrukturkonstanten, aufzuspüren.

Optische Uhren sind so genau, weil optische Strahlung so schnell schwingt, und zwar deutlich schneller als Mikrowellenstrahlung, mit der zurzeit in Cäsiumatomuhren die Sekunde "gemacht" wird. Je schneller nämlich das "Pendel" (das schwingende System) einer Uhr ist, desto feiner lässt sich prinzipiell die Zeit unterteilen und desto stabiler und genauer läuft die Uhr. In einer optischen Strontium-Uhr wird eine Wolke von neutralen Strontiumatomen in zwei Stufen mithilfe von gezielt eingesetzter Laserstrahlung gekühlt, bis schließlich die Atome nur noch wenige Zentimeter pro Sekunde schnell sind. Ein sogenanntes optisches Gitter sorgt dafür, dass sie festgehalten werden und sich praktisch gar nicht mehr bewegen. Leider reagieren ausgerechnet Strontiumatome relativ stark auf die Umgebungstemperatur; ihre atomaren Niveaus werden dadurch energetisch verschoben, was die Uhr ungenau werden lässt. Es ist der höchste Beitrag zur Unsicherheit dieser Uhr, und die PTB-Wissenschaftler haben ihn erstmals gemessen. Allerdings benötigten sie dafür eine Hilfskonstruktion: Um mit der nötigen Genauigkeit messen zu können, haben sie den Effekt deutlich verstärkt, indem sie anstelle des elektromagnetischen Wechselfeldes der Schwarzkörperstrahlung ein statisches elektrisches Feld verwendeten. Sie konstruierten einen speziellen Plattenkondensator, dessen elektrisches Feld auf wenige hundertstel Promille bekannt ist. Dazu durfte der Abstand der beiden Platten, der 0,5 cm betrug, über seine Länge von 7 cm um nur wenige 100 nm variieren; gleiches gilt für die Genauigkeit bei der Messung des Abstandes.

Mithilfe dieses Plattenkondensators maßen die PTB-Wissenschaftler erstmals den Einfluss von elektromagnetischen Feldern auf die beiden (für ihre Uhr) entscheidenden Eigenzustände im Strontiumatom. So ermittelten sie dessen Beitrag zur Gesamtmessunsicherheit auf 5 · 10-18. Und weil genau dieser Einfluss bisher die Gesamtmessunsicherheit der Strontium-Uhr am stärksten begrenzte, ist zu erwarten, dass die nächsten Frequenzmessungen der gesamten Uhr deutlich unter den bisher erreichten 1 · 0-16 liegen werden.