Zeitmessung

Strontiumuhr läuft in 16 Milliarden Jahren auf die Sekunde genau

von D. Lenz

Japanische Forscher haben eine Strontiumuhr entwickelt, die herkömmliche Atomuhren in Punkto Genauigkeit um Längen schlägt. In 16 Milliarden Jahren weicht die neue Strontiumuhr lediglich um eine Sekunde ab.

Tokio (Japan). Die exakte Zeitmessung ist nicht nur für physikalische Experimente interessant, sie ist auch für die Ortsbestimmung äußerst wichtig. So werden in GPS-Satelliten beispielsweise Atomuhren verbaut, die in einer Million Jahren nur eine Sekunde Abweichung aufweisen.

Obwohl wir so exakte Uhren besitzen, arbeiten Wissenschaftler ständig daran, neue und noch wesentlich exaktere Uhren zu konzipieren. Nun ist es Ichiro Ushijima und seinen Kollegen von der Universität Tokio gelungen, eine Strontiumuhr zu bauen, mit einer reproduzierbare Ganggenauigkeit von 2x10 hoch 18 – dies entspricht eine Sekunde Abweichung in einem Zeitraum von 16 Milliarden Jahren, wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Photonics berichten.

Elektronenübergang sorgt für die extreme Genauigkeit

Strontiumuhren laufen wesentlich genauer als die gängigen Cäsiumuhren, da diese die höhere Frequenz des Elektronenübergangs nutzen. Die Elektronen wechseln über 400 Billionen Mal pro Sekunde zwischen zwei Energieniveaus und senden dabei messbare Impulse aus. Dieser Takt der Elektronen ist die Basis für die Genauigkeit der Strontiumuhren. Damit eine Strontiumuhr ordnungsgemäß funktioniert, muss diese allerdings fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden und in einem Lichtgitter aus sich kreuzenden Laserstrahlen festgehalten werden.

Genau nach diesem Prinzip bauten Ushijima und seine Kollegen zwei Strontiumuhren und konnten so mit Hilfe von Vergleichsmessungen die hohe Genauigkeit bestätigen.

Abwärme der Strontiumuhren führt zu Ungenauigkeiten

Schnell fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Abwärme der Strontiumuhren die Genauigkeit beeinflusst. Da sich dieses Problem aber nicht lösen lässt, haben sie exakte Messungen im Temperaturbereich von minus 178 und 27 Grad Celsius durchgeführt. Heraus kam eine Art Eichkurve, mit der sich der Taktfrequenz bei unterschiedlichen Temperaturen der Strontiumuhren genau berechnen lässt.

Trotz der ersten Erfolge kann es noch Jahre dauern, bis optische Atomuhren auf der Basis von Strontiumatomen als viel genauere und offizielle Taktgeber genutzt werden können. Denn neben der Wärmestrahlung gibt es noch weitere Fehlerquellen, wie etwa der Einfluss der vom Standort abhängigen Schwerkraft. „Um diesen Effekt beziffern und beherrschen zu können, arbeiten wir derzeit mit zwei optischen Atomuhren, die 15 Kilometer voneinander entfernt sind.“

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