Robert Klatt
Eine neue Atomuhr misst die Zeit durch eine Kombination aus Aluminium und Magnesium präziser als jemals zuvor. Sie erreicht 19 Nachkommastellen und könnte zu einer neuen Definition der Sekunde führen.
Boulder (U.S.A.). Die Allgemeinheit definiert eine Sekunde als ein Sechzigstel einer Minute, die wiederum ein Sechzigstel einer Stunde ist. Ein 24-stündiger Tag enthält demnach 86.400 Sekunden. Weil die Erdrotation und damit die Tageslänge minimal schwankt, reicht diese Definition einer Sekunde in vielen Gebieten der Wissenschaft, die eine hohe Präzision erfordern, jedoch nicht aus.
Das Internationale Einheitensystem (SI), das die Basiseinheiten für sieben Größen der Physik festlegt, hat die Sekunde deshalb anhand der Periodendauer der Strahlung von Cäsium 133 definiert. Gemessen werden kann dieses Präzisionslevel nur mit einer Atomuhr.
Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben nun eine neue Atomuhr präsentiert, die mit einem Aluminium-Ion die Zeit genauer messen kann als jemals zuvor. Laut der Publikation im Fachmagazin Physical Review Letters kann die Uhr somit dazu verwendet werden, eine neue, noch genauere Definition der Sekunde zu schaffen.
„Es ist aufregend, an der genauesten Uhr aller Zeiten zu arbeiten. Am NIST können wir diese langfristigen Pläne im Bereich der Präzisionsmessung verwirklichen, die das Feld der Physik und unser Verständnis der Welt voranbringen können.“
Die Qualität von optischen Atomuhren hängt sowohl von ihrer Genauigkeit, also davon, wie nahe sie der tatsächlichen Zeit kommen. Dabei erreicht die neue Atomuhr des NIST 19 Nachkommastellen. Das zweite Qualitätskriterium ist die Stabilität, also wie effizient eine Atomuhr die Zeit messen kann. Die neue Atomuhr ist hierbei 2,6-mal stabiler als alle zuvor entwickelten Ionen-Uhren.
In der Atomuhr des NIST kommt ein Aluminium-Ion zum Einsatz, das trotz seiner extrem hohen „Tickfrequenz“ deutlich stabiler ist als Cäsium. Das Aluminium-Ion ist zudem weniger anfällig für Umweltfaktoren wie die Temperatur. Es ist jedoch problematisch, Aluminium-Ionen mit Lasern abzulesen. Die Entwickler der neuen Atomuhr haben das Aluminium-Ion deshalb mit Magnesium kombiniert.
„Dieses Buddy-System für Ionen nenn man Quantenlogikspektroskopie.“
In der Atomuhr bewegen sich die beiden Ionen miteinander. Der Laser kann die Uhrzeit deshalb über das Magnesium-Ion auslesen. Um die Genauigkeit noch mehr zu erhöhen, wurde außerdem eine neue Falle, die die Ionen beinhaltet, entwickelt. Das Vakuum-System der Falle bestand zuvor aus Stahl und war nicht dicht genug. Stattdessen kommt nun Titan zum Einsatz, was einen durchgehenden Betrieb von mehreren Tagen anstatt maximal 30 Minuten ermöglicht.
Physical Review Letters, doi: 10.1103/hb3c-dk28
