Optische Uhren für Satelliten

Atomuhren sind genauer als Quarzuhren; Quarzuhren sind genauer als Pendeluhren; Pendeluhren sind genauer als eine Sonnenuhr. Das ist allgemein bekannt. Eine Uhr ist umso genauer, je schneller die Schwingungsvorgänge sind, die zur Definition einer Zeiteinheit herangezogen werden. Der Schatten einer Sonnenuhr wandert aufgrund der Erdrotation recht langsam über die Skala. Eine Minute oder gar eine Sekunde lässt sich damit nicht messen. Pendeluhren, bekannt als große Standuhren oder Kuckucksuhren an der Wand, sind da schon deutlich genauer. Ihre Pendel schwingen im Sekundenbereich. Das "elektronische Pendel" einer Quarzuhr schwingt 32 768-mal pro Sekunde. Entsprechend genauer lässt sich die Zeit mit solchen Uhren messen, die heute bei Armbanduhren Standard sind.


Atomuhren sind genauer als Quarzuhren; Quarzuhren sind genauer als Pendeluhren; Pendeluhren sind genauer als eine Sonnenuhr. Das ist allgemein bekannt. Eine Uhr ist umso genauer, je schneller die Schwingungsvorgänge sind, die zur Definition einer Zeiteinheit herangezogen werden. Der Schatten einer Sonnenuhr wandert aufgrund der Erdrotation recht langsam über die Skala. Eine Minute oder gar eine Sekunde lässt sich damit nicht messen. Pendeluhren, bekannt als große Standuhren oder Kuckucksuhren an der Wand, sind da schon deutlich genauer. Ihre Pendel schwingen im Sekundenbereich. Das "elektronische Pendel" einer Quarzuhr schwingt 32 768-mal pro Sekunde. Entsprechend genauer lässt sich die Zeit mit solchen Uhren messen, die heute bei Armbanduhren Standard sind.

Sogenannte Atomuhren nutzen die von Cäsium-Atomen ausgesendete Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von mehr als neun Gigahertz. Sie dienen zum Beispiel bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) zur Festlegung der präzisen amtlichen Zeit. Die Ganggenauigkeit dieser Atomuhren ist rund 10 000-mal besser als die von Quarzuhren.

Für die meisten Zwecke ist diese Genauigkeit von Atomuhren mehr als ausreichend. Doch für manche wissenschaftliche Projekte wünschen sich Forscher durchaus noch präzisiere Uhren. Also versuchen sie die "Pendelfrequenz" weiter zu erhöhen. Statt Mikrowellen soll künftig Licht die Basis zur Zeitmessung sein. Sogenannte optische Uhren sind an der PTB bereits gebaut worden. Sie sind schon jetzt zehnmal genauer und stabiler als die besten Cäsium-Atomuhren.

Die technische Herausforderung bei den optischen Uhren besteht darin, dass die verwendeten Strontium-Atome auf extrem niedrige Temperaturen in der Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts gekühlt werden müssen.

Dennoch wollen PTB-Forscher jetzt sogar eine transportable optische Uhr bauen, die möglicherweise an Bord von Satelliten zum Einsatz kommen könnte. Mit so präzisen Uhren ließe sich zum Beispiel eine Höhenkarte der Erdoberfläche noch genauer als bislang möglich erstellen.

"Atomuhr der Zukunft" soll einfacher werden
31. August 2009, 16:52

Deutsche Forscher wollen optische Gitteruhren verbessern und zu potenziellen Nachfolgern der Cäsium-Atomuhren machen
Braunschweig - Optische Uhren wie die Strontium-Uhr in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig könnten zu den Atomuhren der Zukunft werden. Einige von ihnen sind jetzt schon zehnmal genauer und stabiler als die besten primären Cäsium-Atomuhren, wie PTB-Wissenschafter erklären. Nur klobig sind sie noch etwas, doch das soll sich ändern: Nun könnten sie auch kompakter und sogar transportabel werden, vielleicht sogar einmal in den Weltraum fliegen. In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Physical Review Letters" berichten die Braunschweiger Forscher, wie einige prinzipielle Schwierigkeiten, die einen einfacheren Aufbau bisher verhindert hatten, vermieden werden können. Vorerst noch in der Theorie - doch als nächsten Schritt wollen sie eine solche Uhr bauen.

Das Tempo macht's

Eine optische Uhr ist deshalb so genau, weil ihr "Pendel" so schnell schwingt. Dahinter steckt derselbe Effekt, der eine Quarzuhr genauer als etwa eine klassische Standuhr macht: Das periodisch schwingende Element darin, der Schwingquarz, bewegt sich um ein Vielfaches schneller als das Standuhr-Pendel; so lässt sich die Skala gewissermaßen feiner aufteilen und auch feiner kontrollieren. Noch schneller schwingt das "Pendel" einer Cäsium-Atomuhr: nämlich jene Mikrowellenstrahlung, die in jeweils einem Elektron eines Cäsiumatoms eine Spin-Änderung bewirken kann. Genau die Mikrowellenfrequenz, bei der dieser Effekt am größten ist, definiert die Sekunde. Eine optische Atomuhr arbeitet mit der noch höheren Frequenz von optischer Strahlung - also mit einem noch schnelleren Pendel.

Das Ganze funktioniert aber nur, wenn die Atome zuvor gekühlt werden. Weil wild "herumzappelnde" Atome durch den Dopplereffekt zu sehr großen Frequenzverschiebungen führen, werden in den besten dieser Uhren die Atome in einem ersten Präparationsschritt mit Hilfe von Laserkühlung auf ein Hundertstel der Geschwindigkeit eines Fußgängers gebremst. Das kennt man auch schon von den Cäsium-Fontänenuhren. In einer optischen Gitteruhr folgt dann noch ein weiterer Schritt, in dem die Atome in Potentialmulden, erzeugt durch das intensive Lichtfeld eines Lasers, festgehalten werden. Das ist das optische Gitter, das der Uhr ihren Namen gegeben hat. Mehrere zehntausend Strontiumatome stecken darin gewissermaßen fest. Dieser Trick schränkt die Bewegung der Atome auf den Bruchteil einer optischen Wellenlänge ein, sodass Verschiebungen durch den Dopplereffekt vernachlässigt werden können.

Isotope 87 und 88

In jeder Potentialmulde sind einige hundert Atome gefangen, die sich gegenseitig stören können. Verwendet man das Isotop Strontium-87, ein Fermion, kommen sich aufgrund des Pauli-Prinzips zwei dieser Teilchen bei sehr niedrigen Temperaturen nicht nahe. Das ist der Grund, warum bisherige optische Gitteruhren mit diesem Strontium-Isotop konstruiert wurden. Aber leider hat dieses Isotop nur eine natürliche Häufigkeit von 7 Prozent und lässt sich zudem nur mit großem Aufwand mit Laserlicht kühlen. Daher ist es für einfache, transportable oder gar weltraumtaugliche Uhren prinzipiell schlechter geeignet.

Das mit über 80 Prozent häufigste Isotop Strontium-88, das sich auch einfacher kühlen lässt, ist allerdings ein Boson. Das heißt, selbst bei niedrigsten Temperaturen treten unter den Atomen viele Stöße auf. Sie können zu Verlusten und zu einer Verschiebung und Verbreiterung der Referenzlinie führen. Wie stark diese Stöße die Genauigkeit der Uhr beeinflussen, war bisher allerdings nicht bekannt. Die PTB-Wissenschafter haben diese Einflüsse nun zum ersten Mal detailliert gemessen. Aus den Ergebnisse können die Forscher ableiten, wie das optische Gitter dimensioniert sein muss und wie viele Atome darin gespeichert werden dürfen, um auch mit Strontium-88 eine sehr genaue Gitteruhr zu betreiben. Auf dieser Grundlage wollen sie jetzt eine Uhr bauen, die kompakter und transportabler als bisherige Gitteruhren ist.

Als möglicher erster Einsatz wird diskutiert, die Uhr zur präzisen Bestimmung der Höhe eines Punktes über dem Geoid (also gewissermaßen dem Normal-Null der Gravitationskräfte der Erde) zu verwenden. Damit könnte die neue Uhr beispielsweise Gravitationskarten noch genauer machen.