Eine Atomuhr aus Singapur hat einen neuen Genauigkeitsrekord aufgestellt. Die Uhr beruht auf einem einzelnen gefangenen Lutetium-Ion und erreicht eine Unsicherheit von nur einem Zehntrillionstel. Rein rechnerisch würde sie in mehr als 300 Milliarden Jahren um weniger als eine Sekunde abweichen. Zwei unabhängig gebaute Uhren dieses Typs stimmten bis in die 19. Stelle überein. Die Ergebnisse erschienen am 23. September im Fachjournal Nature.
Atomuhren sind die genauesten Messinstrumente der Welt. Sie zählen die Schwingungen von Atomen, die beim Wechsel zwischen zwei Energiezuständen Licht einer extrem stabilen Frequenz aussenden oder aufnehmen. Seit 1967 ist die Sekunde über das Cäsiumatom definiert: als Dauer von 9.192.631.770 Schwingungen einer bestimmten Strahlung dieses Atoms. Cäsiumuhren arbeiten mit Mikrowellen. Neuere optische Atomuhren nutzen dagegen Übergänge, die im Bereich des sichtbaren Lichts oder nahe daran liegen und deutlich schneller schwingen. Je mehr Schwingungen pro Sekunde eine Uhr zählt, desto feiner kann sie die Zeit unterteilen und desto genauer wird sie. Elemente wie Ytterbium, Strontium und Aluminium haben in den vergangenen Jahren wiederholt Rekorde aufgestellt. Das internationale Gremium für Maßeinheiten wertet die Daten solcher optischer Uhren aus, um die Sekunde neu zu definieren. Eine Entscheidung wird für 2030 oder später erwartet.
Das Team um den Physiker Murray Barrett vom Centre for Quantum Technologies der National University of Singapore setzt auf ein Element, das bislang kaum jemand für Uhren nutzt: Lutetium, das schwerste Element der Seltenen Erden. Die Gruppe begann vor mehr als zehn Jahren mit der Vermutung, dass Lutetium die richtigen Eigenschaften für Spitzenuhren besitzt, und ist nach eigener Kenntnis die einzige, die es für die Zeitmessung einsetzt. Die Forscher bestimmten die Frequenz ihrer Uhr nun auf 19 Nachkommastellen genau, mit einer Unsicherheit von einem Zehntrillionstel, dem niedrigsten Wert, der bislang für eine optische Atomuhr berichtet wurde, wie das Portal phys.org nach einer Mitteilung der Universität berichtet. Barrett zeigte sich überzeugt, dass seine Gruppe damit die genaueste Uhr der Welt besitzt.
Eine einzelne Uhr kann ihre eigene Genauigkeit nur begrenzt nachweisen. Die Forscher bauten deshalb zwei Lutetium-Uhren unabhängig voneinander und verglichen ihr Ticken. Die beiden stimmten mit einer Unsicherheit von 5,7 Zehntrillionsteln überein, was nach Angaben des Teams der präziseste Uhrenvergleich ist, der je durchgeführt wurde. Der verbleibende Unterschied ist statistisch nicht von null zu unterscheiden. In jeder Uhr steckt ein einzelnes, elektrisch geladenes Lutetium-Atom, das in einer Falle aus elektrischen Feldern im Vakuum schwebt. Laser kühlen das Ion nahezu bis zum Stillstand und fragen seinen Uhrenübergang ab. Nach einem Bericht des Fachjournals Nature ist die neue Uhr viermal genauer als die bisher beste, die auf Kalzium-Ionen beruhte. Ein chinesisches Team hatte mit einer solchen Uhr im Februar 2026 einen Wert erreicht, der nun übertroffen wurde. Innerhalb von rund 14 Monaten verbesserten drei konkurrierende Gruppen auf drei Kontinenten den Stand der Technik damit um etwa eine Größenordnung.
Die besondere Stärke von Lutetium liegt in seiner Gelassenheit gegenüber der Umgebung. Der Uhrenübergang des Elements reagiert kaum auf Temperaturschwankungen und Magnetfelder. Gerade diese Einflüsse sind bei anderen Elementen oft die größten Fehlerquellen, weil schon die Wärmestrahlung der Laborwände die Frequenz verschieben kann. Andere Spitzenuhren müssen deshalb aufwendig gekühlt oder abgeschirmt werden, etwa mit flüssigem Stickstoff. Barrett betont, dass die Lutetium-Uhr ihre Genauigkeit über einen weiten Bereich von Umgebungsbedingungen halten könne. Diese Robustheit ist eine Voraussetzung dafür, solche Uhren eines Tages aus dem Labor herauszuholen. Forschungsleiter Kyle Arnold erwartet, dass Lutetium in der Präzisionszeitmessung der Zukunft eine führende Rolle spielen wird. Wie überraschend präzise sich Naturgesetze im Experiment prüfen lassen, zeigte zuletzt auch ein Versuch, nach dem die Schwerkraft wohl nicht schuld am Tod von Schrödingers Katze ist.
Optische Atomuhren sind so genau, dass sie Effekte der Relativitätstheorie im Alltag messbar machen. Nach Einsteins Theorie vergeht die Zeit in einem stärkeren Schwerefeld langsamer, eine Uhr am Boden tickt also minimal langsamer als eine einen Meter höher. Mit Strontium-Uhren konnten Forscher diesen Effekt bereits bei einem Höhenunterschied von einem Millimeter nachweisen. Uhren wie die aus Singapur könnten deshalb künftig die Form der Erde und ihr Schwerefeld auf Millimeter genau vermessen, etwa um Hebungen und Senkungen des Bodens zu verfolgen. Zudem eignen sie sich, um nach feinsten Abweichungen von bekannten Naturgesetzen zu suchen, etwa nach Hinweisen auf Dunkle Materie oder nach Veränderungen von Naturkonstanten. Für solche Messungen ist entscheidend, dass verschiedene Uhren unabhängig voneinander zuverlässig dieselbe Zeit anzeigen, wie es die beiden Lutetium-Uhren nun gezeigt haben. Wie viel in scheinbar einfachen Gegenständen stecken kann, beweist auch der fairste Würfel der Welt mit 60 Seiten.
Die Neudefinition der Sekunde ist bereits beschlossene Sache, offen ist nur, auf welcher Grundlage. Die Generalkonferenz für Maß und Gewicht stimmte 2022 dafür, die Sekunde künftig über optische Uhren festzulegen, eine formale Abstimmung ist für 2030 oder später geplant. Eine optische Definition würde die weltweite Zeitmessung nach Schätzungen etwa hundertmal genauer machen. Welche Atomsorte am Ende die Grundlage bildet oder ob mehrere kombiniert werden, ist noch offen, wie die im Fachjournal Nature veröffentlichte Studie deutlich macht. Die Lutetium-Uhren liefern dafür Daten aus einer bislang wenig beachteten Richtung. Für den Alltag ändert eine neue Sekunde zunächst nichts, niemand wird seine Armbanduhr anders stellen müssen. Profitieren würden Satellitennavigation, Datennetze, Finanzmärkte und die Forschung, die auf immer genauere Zeitsignale angewiesen sind.
Nature, Lu+ optical frequency references with accuracy verified at the 19th digit; doi:10.1038/s41586-026-11072-8