Die nächste Generation von Atomuhren, die mit der Frequenz eines Lasers „tickt“, ist rund 100.000-mal schneller als die Mikrowellenfrequenzen der derzeit verwendeten Cäsiumuhren. Diese optischen Uhren befinden sich noch in der Erprobungsphase, sind jedoch bereits hundertmal genauer und sollen künftig die Grundlage für die Definition der Sekunde im Internationalen Einheitensystem (SI) bilden. Um ihre Zuverlässigkeit zu beweisen, müssen sie wiederholt getestet und weltweit verglichen werden. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) gehört zu den führenden Einrichtungen in diesem Bereich und hat verschiedene optische Uhren entwickelt, darunter Einzel-Ionenuhren und Gitteruhren.
Ein neuartiger Uhrentyp, eine Ionen-Kristall-Uhr, hat nun das Potenzial gezeigt, Zeit und Frequenz 1000-mal genauer zu messen als die aktuellen Cäsiumuhren. In einer optischen Atomuhr werden Atome mit Laserlicht bestrahlt; bei der richtigen Frequenz ändern die Atome ihren quantenmechanischen Zustand. Um genaue Messungen zu gewährleisten, müssen äußere Einflüsse abgeschirmt oder präzise erfasst werden. Bei optischen Uhren mit gefangenen Ionen gelingt dies durch elektrische Felder, die die Ionen im Vakuum auf wenige Nanometer lokalisiert halten. Diese hervorragende Kontrolle ermöglicht es, systematische Unsicherheiten bis zur 18. Nachkommastelle zu erreichen. Eine solche Uhr würde seit dem Urknall höchstens eine Sekunde nachgehen.
In einer optischen Atomuhr werden Atome mit Laserlicht bestrahlt, wobei die Atome ihren quantenmechanischen Zustand ändern, wenn der Laser die richtige Frequenz hat. Um präzise Messungen zu gewährleisten, müssen äußere Einflüsse abgeschirmt oder genau erfasst werden. Optische Uhren mit gefangenen Ionen erreichen dies durch elektrische Felder, die die Ionen im Vakuum auf wenige Nanometer lokalisiert halten. Diese Kontrolle ermöglicht es, systematische Unsicherheiten bis zur 18. Nachkommastelle zu erreichen; eine solche Uhr würde seit dem Urknall höchstens eine Sekunde nachgehen.
Bisherige Ionenuhren verwenden ein einzelnes Uhren-Ion, dessen schwaches Signal über lange Zeiträume (bis zu zwei Wochen) gemessen werden muss, um eine präzise Frequenz zu bestimmen. Um das volle Potenzial auszuschöpfen, wären sogar Messzeiten von mehr als drei Jahren erforderlich. Die neu entwickelte Uhr verkürzt diese Messdauer durch Parallelisierung: Mehrere Ionen werden gleichzeitig in einer Falle gefangen und bilden durch ihre Wechselwirkung eine kristalline Struktur. „Dieses Konzept ermöglicht es zudem, die Stärken verschiedener Ionen zu kombinieren“, erklärt PTB-Physiker Jonas Keller: „Wir verwenden Indium-Ionen wegen ihrer günstigen Eigenschaften zum Erreichen hoher Genauigkeiten. Für eine effiziente Kühlung sind dem Kristall zusätzlich Ytterbium-Ionen beigemischt“.
Eine Herausforderung bei der Entwicklung einer neuen Ionenfalle war es, einen räumlich ausgedehnten Kristall ebenso präzise wie einzelne Ionen als Uhr zu nutzen. Zudem mussten experimentelle Methoden entwickelt werden, um die Kühl-Ionen innerhalb des Kristalls korrekt zu positionieren. Das Team unter der Leitung von Tanja Mehlstäubler konnte diese Herausforderungen erfolgreich mit innovativen Ansätzen meistern, wodurch die Uhr eine Genauigkeit nahe der 18. Nachkommastelle erreicht.
Für Vergleiche mit anderen Uhrensystemen wurden zwei optische Uhren (eine Ytterbium-Einzelionenuhr und eine Strontium-Gitteruhr) sowie eine Mikrowellenuhr (Cäsium-Fontänenuhr) der PTB einbezogen. Dabei erreichte das Verhältnis der Indium- zur Ytterbium-Uhr erstmals eine Gesamtunsicherheit unterhalb der in der Roadmap zur Neudefinition der Sekunde geforderten Grenze. Dieses Konzept verspricht eine neue Generation von Ionenuhren mit hoher Stabilität und Genauigkeit und ist auch auf andere Ionenarten anwendbar. Es eröffnet zudem Möglichkeiten für neuartige Uhrenkonzepte, wie den Einsatz von Quanten-Vielteilchenzuständen oder die kaskadierte Abfrage mehrerer Ensembles.
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Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) (01/2025)
Publikation:
Jacob W. Isbell et al., “Direct imaging of active galactic nucleus outflows and their origin with the 23 m Large Binocular Telescope”, Nature Astronomy (2025)
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02461-y
DOI: 10.1038/s41550-024-02461-y
Mittwoch, den 22. Januar 2025 um 04:17 Uhr