Selbst über eine Milliarde Jahre hinweg würde sie nur um zwei hundertstel Sekunden falsch gehen
Eine Atomuhr auf der Basis des Schwermetalls Lutetium stellt einen neuen Genauigkeitsrekord auf: Erst nach 55 Milliarden Jahren würde sie eine Abweichung von einer Sekunde zeigen. Zum Vergleich: Unser Universum ist erst 13,8 Milliarden Jahre alt. Die von Forschern der Universität Singapur entwickelte Uhr ist damit zehn mal genauer als die bislang besten Atomuhren. Dieser Sprung in der Genauigkeit könnte zu Fortschritten nicht nur in der Grundlagen-Physik, sondern auch bei praktischen Anwendungen führen, schreiben die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.
Schon heute sind Atomuhren in vielen Bereichen unseres Lebens unentbehrlich. Ohne sie gäbe es keine Satellitennavigation – denn schon Abweichungen von einer Mikrosekunde führen zu Ortungsfehlern von mehreren hundert Metern. Atomuhren synchronisieren das Internet, den Handel an den Börsen und sorgen für die Stabilität von Stromnetzen.
Das Zentrum extrem genauer Atomuhren bildet jeweils ein Ion, also ein elektrisch geladenes Atom. Weil es elektrisch geladen ist, lässt es sich in einer kleinen Vakuumkammer mithilfe elektrischer Felder festhalten. Ein Laser beschießt das Ion mit infrarotem Licht. Hat das Licht genau die richtige Energie, so hebt es ein Elektron in dem Ion auf ein höheres Energieniveau. Mit einem zweiten Laser prüfen die Forscher, ob dieser Übergang stattgefunden hat.
Das Problem dabei: Laser sind notorisch instabil, sie „driften“. Ihre Frequenz – und damit ihre Energie – hängt von der Umgebung, etwa von der Temperatur oder minimalen Erschütterungen ab. Wenn der zweite Laser feststellt, dass infolge dieser Drift keine Anregung mehr stattfindet, wird der erste Laser automatisch nachjustiert. Durch diese Rückkopplung lässt sich die Strahlung des Lasers stabilisieren.
Der Laser hat also durch die Rückkopplung mit dem Ion eine stabile Energie und Frequenz. Anders ausgedrückt: Die Strahlung des Lasers enthält eine feste Anzahl von Schwingungen pro Sekunde. Und diese Schwingungen sind gewissermaßen das Pendel der Uhr: Die Anzahl der Schwingungen misst die Zeit. Bei einer Cäsium-Atomuhr beispielsweise sind es 9.192.631.770 Schwingungen pro Sekunde.
Je mehr Schwingungen pro Sekunde stattfinden, umso genauer kann eine Atomuhr die Zeit messen. In der neuen Lutetium-Uhr schwingt die Laser-Strahlung 353,6 Billionen Mal pro Sekunde. Die hohe Schwingungsrate ist aber nicht der einzige Vorteil der Lutetium-Uhr. Im Gegensatz zu Atomuhren, die auf anderen Elementen basieren, ist sie wesentlich unempfindlicher gegen Temperaturänderungen und Magnetfelder. „Die Lutetium-Uhr bliebe sogar stabil, wenn man sie vom heißesten Ort auf der Erde, dem Death Valley, zum kältesten Ort auf dem Hochplateau der Antarktis bringt“, sagt Murray Barrett von der Universität Singapur.
Um die Genauigkeit der neuen Uhr zu bestimmen, bauten Barrett und seine Kollegen gleich zwei davon nebeneinander auf und verglichen die Zeitmessungen. Dabei stieß das Team jedoch auf ein unerwartetes Problem: Die Uhren sind so genau, dass sie auf geringe Höhenunterschiede reagieren. Wie die Relativitätstheorie von Albert Einstein zeigt, hängt die Zeit von der Schwerkraft ab. Da die Schwerkraft der Erde mit der Höhe abnimmt, laufen Uhren auf der Erdoberfläche langsamer als im Weltall. Bei einem geostationären Satelliten macht dieser Effekt etwa 50 Mikrosekunden pro Tag aus.
Wie die Forscher berichten, führte bei den Lutetium-Uhren bereits ein Höhenunterschied von nur fünf Millimetern zu einem messbaren Unterschied und musste daher korrigiert werden. Barrett und seine Kollegen sehen darin aber eher einen Vorteil als einen Nachteil. Denn die Schwerkraft hängt nicht nur von der Höhe ab, sondern auch von der genauen Verteilung der Materie im Inneren der Erde. Deshalb könne man mit Lutetium-Uhren sogar Veränderungen in Magmakammern unter Vulkanen beobachten oder Rohstoff-Vorkommen kartieren.
Noch sind die Superuhren für solche Anwendungen allerdings zu groß und zu umständlich zu handhaben. Die Forscher arbeiten jetzt deshalb daran, das im Labor verwendete System zu miniaturisieren und so eine transportable Lutetium-Uhr zu entwickeln.
Bildquelle: Centre for Quantum Technologies
