Transportable optische Atomgitteruhr

Optische Atomuhren gelten als die Atomuhren der Zukunft, da sie eine höhere Präzision als ihre Vorgänger, die Mikrowellen-Atomuhren, aufweisen. Meist handelt es sich bei diesen Präzisionsinstrumenten um aufwendige Laboraufbauten. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hat jedoch eine transportable optische Strontium-Gitteruhr entwickelt. Diese Uhr, die per Anhänger zum Einsatzort gebracht werden kann, liegt dennoch im Spitzenfeld der optischen Uhren.

Der Weg zur optischen Sekunde

Aktuell wird die Zeit noch mithilfe von Cäsiumuhren und Mikrowellenstrahlung „gemacht“. Zukünftig könnte die Einheit der Sekunde jedoch über optische Uhren definiert werden. Bei diesen Uhren werden Atome durch optische Strahlung angeregt, welche wesentlich schneller schwingt als Mikrowellenstrahlung, was die Uhr entsprechend genauer macht. Metrologie-Institute wie die PTB arbeiten weltweit an verschiedenen Typen dieser optischen Uhren. Es ist allerdings unerlässlich, diese hochgenauen Uhren auch miteinander zu vergleichen. Dies ist sowohl für die Grundlagenforschung von Bedeutung als auch, um die korrekte Funktionsweise der unabhängig voneinander entwickelten Atomuhren zu überprüfen.

Mobile Präzisionsmessung und Geodäsie

Oftmals fehlt die nötige Infrastruktur, um optische Atomuhren auf ihrem extrem hohen Genauigkeitsniveau miteinander zu vergleichen. Transportable optische Atomuhren können diese Lücke schließen. Darüber hinaus bieten sie wichtige Dienste für die Geodäsie: Aufgrund der Relativitätstheorie beeinflusst die geodätische Höhe die Taktrate solch präziser Uhren. Das bedeutet, dass man umgekehrt durch den Vergleich der Taktraten zweier Uhren auf den Höhenunterschied zwischen ihnen schließen kann.

Forschende der PTB berichten nun über die transportable Strontium-Gitteruhr der zweiten Generation, die auf ultrakalten Strontium-Atomen basiert. Sie wurde 2023 erstmals in Betrieb genommen und seitdem umfassend charakterisiert. Das Ergebnis ist beeindruckend: Mit einer relativen Unsicherheit von 2,1⋅10−18 gehört diese Uhr zu den genauesten weltweit. Im kontinuierlichen Betrieb würde sie nach typischerweise 15 Milliarden Jahren lediglich um eine Sekunde falsch gehen.

Technologische Errungenschaften der mobilen Atomuhr

Die hohe Genauigkeit dieser Uhr wurde unter anderem dadurch erzielt, dass die taktgebenden Strontium-Atome mithilfe von Laserstrahlen in einen Wärmeschild geführt werden. Dieser Schild wird selbst auf −100 °C abgekühlt und schirmt die Atome effektiv vom störenden Einfluss der Wärmestrahlung aus der Umgebung ab. Ein weiterer Erfolg ist, dass die erforderliche Genauigkeit der Atomuhr bereits nach einer Mittelungszeit von weniger als einem Tag erreicht wird. Dies stellt derzeit einen Rekord für ein rein transportables System dar.

Diese transportable optische Atomuhr ist ein herausragendes Beispiel für erfolgreich angewandte Quantentechnologie und wurde im Rahmen von Messkampagnen bereits zu verschiedenen Orten in Europa transportiert. Neben ihrem metrologischen Nutzwert ermöglicht sie die Realisierung der chronometrischen Geodäsie (also der Höhenmessung mit Uhren) auf einem bislang unerreichten Genauigkeitsniveau.

Quelle

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) (10/2025)