Atomuhren: so funktioniert exakte Zeitmessung

Die Atomuhr in Deutschland wird von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig betrieben und ihr Zeittakt wird aus der Frequenz von Strahlungsübergängen der Elektronen freier Atome abgeleitet. Atomuhren sind derzeit die genauesten Uhren und werden auch primäre Uhren genannt.

Um eine möglichst exakte Zeit zu bestimmen, werden Caesiumatome in verschiedenen energetischen Zuständen gemessen:

Die Cs-Atome werden in einem Ofen verdampft und magnetisch sortiert, wodurch nur Atome eines niedrigen energetischen Zustands in den sog. Hohlraumresonator gelangen. In diesem werden die Atome durch Bestrahlung mit einem Mikrowellenfeld animiert, ihren Zustand zu wechseln. Die Atome, die ihren Zustand gewechselt haben, werden nun in einer speziellen Kammer aufgefangen. Da die aufgefangene Menge bei einer bestimmten Frequenz des Mikrowellenfeldes am größten ist; wird die Frequenz gehalten und gezählt.

Nach exakt 9 192 631 770 Periodendauern ist schließlich eine Sekunde verstrichen.

Im Laufe eines Jahres beträgt die Abweichung dieser Uhr höchstens 25-12 Milliardstel Sekunden relativ zu einer idealen Uhr. Bei einer Quarzuhr beträgt die Abweichung einige Sekunden pro Monat, mechanische Armbanduhren haben deutlich größere Abweichungen. Es gibt eine spezielle sog. Chronometerprüfung, die nur (mechanische) Uhren mit einer mittleren Abweichung von -2 bis +4 Minuten pro Monat bestehen.

Bereits in den 1930er Jahren regte der amerikanische Physiker Isidor Rabi an, eine Atomuhr zu konzipieren. Rabi hatte umfangreiche Untersuchungen zum Magnetresonanzverfahren durchgeführt.

Bereits 1946 wurde die weltweit erste Atomuhr vorgestellt und 1949 entwickelte das National Bureau of Standards (NBS) in Maryland/USA (heute NIST) eine Atomuhr unter Verwendung von Ammoniak-Molekülen als Schwingungsquelle. Diese Atomuhr wurde bereits 1952 überarbeitet und nun unter Verwendung von Caesiumatomen betrieben (sog. NBS-1).

Im Jahr 1955 stellte das National Physical Laboratory eine noch genauere Caesiumuhr vor, die von den Physikern Louis Essen und J. V. L. Parry entwickelt wurde.

Schon bald wurde die Atomzeit als internationaler Standard für die Sekunde definiert , da mit diesen Uhren unvergleichlich genaue Gangergebnisse erzielt werden konnten.

Im Oktober 1967 wurde die Zeitdauer einer Sekunde im internationalen Einheitensystem als das 9.192.631.770fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung definiert.

Die Genauigkeit der Atomuhren wird seither kontinuierlich weiter  verbessert. So betrug die relative Standardabweichung zur idealen SI-Sekunde Ende der 90er Jahre etwa 5*10−15 (entspricht einer Abweichung von einer Sekunde in 20 Millionen Jahren).

Die neueren Atomuhren funktionieren auf Basis von thermisch abgebremsten Atomen in der sog. Caesium-Fontäne, in der Caesiumatome so stark abgekühlt werden, dass sie nur noch etwa einen Zentimeter pro Sekunde schnell sind, wodurch die Genauigkeit weiter erhöht werden konnte.

In der "Fontäne" werden die so verlangsamten Atome schließlich mit einem Laser nach oben beschleunigt und durchlaufen eine ballistische Flugbahn. Mit eingestrahlten Mikrowellen wird dann die effektive Wechselwirkungsdauer der Atome verlängert und eine exaktere Frequenzbestimmung erreicht.

Während Atomuhren bislang auf der Messung der Frequenz einer atomaren Resonanz basiert, verwenden optische Uhren die Frequenz von  Licht, denn sichtbares Licht hat eine etwa 50.000-fach höhere Frequenz als die beim Caesium genutzte Mikrowellenstrahlung.

Das Ziel ist dabei, eine noch höhere messbare Ganggenauigkeit mit einer Atomuhr zu erzielen, die mit einer optischen Resonanz arbeitet. Hieran wird bereits seit einigen Jahren geforscht.

Diesem Ziel nähern sich Forscher mit Experimenten mit Elementen, die geeignete Übergänge bei optischen Wellenlängen haben. Auf diesem Weg werden Frequenzen von hunderten TeraHz erreicht, die deutlich über den herkömmlichen 9 GHz liegen. Ein Laser wird auf einen schmalbandigen Übergang stabilisiert und einzelne Atome in einer Atomfalle gespeichert. Nachfolgend wird die Stabilität der Frequenz dieses Laserlichts ohne Genauigkeitsverlust mit einem Frequenzkamm auf ein periodisches elektrisches Signal übertragen.

Die optische Atomuhr, die im Februar 2008 durch Physiker vom JILA in Boulder (Colorado) vorgestellt wurde, basiert auf spinpolarisierten 87Strontium-Atomen, die in einem Gitter aus Laserlicht gefangen sind.

Der PTB in Braunschweig ist es ihrerseits gelungen mit Hilfe ihres transportablen Frequenzkamms eine Frequenz von 429.228.004.229.874 ±1 Hz zu verifizieren.

In  Zusammenarbeit mit dem NIST in Maryland/USA konnte an der PTB  die Präzision (nicht zu verwechseln mit Genauigkeit) einer optischen Atomuhr mit spinpolarisierten Atomen (ca. 10000 Ytterbium Atomen) auf 10−18 verbessert werden.

Auch China präsentierte 2012 eine an der Akademie der Wissenschaften in Wuhan entwickelte optische Uhr, die auf Calcium-Ionen basiert.

Neben der Forschung und Entwicklung an hochpräzisen Atomuhrenspielt der Bau preiswerter, kleiner, leichter und energiesparender Atomuhren für die Wissenschaft und die Praxis eine zunehmende Rolle.

Diese Uhren werden z. B. für den Einsatz in Satelliten von Satellitennavigationssystemen wie GPS, GLONASS oder Galileo entwickelt und sollen helfen, die Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen.

Ein Meilenstein war die Entwicklung einer Rubidium-Atomuhr im Jahr 2003, die bei einem Volumen von lediglich 40 cm³ eine elektrische Leistung von einem Watt aufnehmen kann (mit einer relativen Standardabweichung von ca. 3*10¯¹² und so einer Abweichung von einer Sekunde in 10.000 Jahren). Diese Abweichung ist zwar deutlicher größer als bei den großen stationären Atomuhren, dennoch erheblich genauer als eine Quarzuhr.