An der Technischen Universität Wien ist ein bemerkenswerter Schritt in der Entwicklung extrem präziser Uhren gelungen. Eine dort entwickelte Atomkernuhr hat erstmals über mehr als 24 Stunden hinweg kontinuierlich Zeit gemessen. Der Versuchsaufbau ist derzeit noch groß und füllt einen erheblichen Teil eines Labors, langfristig soll die Technik jedoch drastisch verkleinert werden. Eingefügter Text
Der Name „Atomkernuhr“ klingt zunächst so, als würde irgendwo im Gerät ein winziges Uhrwerk im Inneren eines Atoms ticken. Tatsächlich ist die Funktionsweise anspruchsvoller – aber das Grundprinzip lässt sich gut erklären.
Was ist überhaupt eine Atomkernuhr?
Eine Atomkernuhr ist keine Uhr mit Zeigern und auch keine Uhr, bei der ein Atom mechanisch hin- und herschwingt.
Sie nutzt eine extrem genau festgelegte Frequenz als Taktgeber.
Das Grundprinzip ähnelt klassischen Atomuhren und modernen optischen Uhren: Ein quantenmechanisches System wird mit elektromagnetischer Strahlung angeregt. Nur bei einer ganz bestimmten Frequenz geht es in einen höheren Energiezustand über. Genau diese extrem stabile Resonanzfrequenz lässt sich als Zeitmaß verwenden. Eingefügter Text
Das lässt sich mit einer Trillerpfeife vergleichen.
Bläst man falsch hinein, passiert wenig. Erst bei passenden Bedingungen entsteht der charakteristische Ton.
Bei einer Atomkernuhr sucht man gewissermaßen nach dem exakt richtigen „Ton“ des Atomkerns.
Hat man ihn gefunden, besitzt man einen unglaublich regelmäßigen Taktgeber.
Warum heißt sie Atomkernuhr?
Hier liegt der entscheidende Unterschied zu bisherigen Präzisionsuhren.
Eine klassische Atomuhr nutzt Übergänge in der Elektronenhülle eines Atoms. Bei der heute international verwendeten Cäsium-Atomuhr wird Cäsium-133 mit Mikrowellen angeregt.
Optische Uhren verwenden ebenfalls atomare beziehungsweise ionische Übergänge, arbeiten aber mit viel höheren Frequenzen und Laserlicht. Dadurch können sie Zeit erheblich feiner unterteilen.
Die neue Wiener Uhr geht noch einen Schritt weiter.
Sie nutzt nicht primär die Elektronenhülle, sondern einen Übergang direkt im Atomkern.
Dafür verwendet das Team Thorium-229. Die Thoriumkerne befinden sich in einem Kristall und werden mit einem Laser bestrahlt. Eingefügter Text
Wie funktioniert sie genau?
Vereinfacht läuft der Vorgang in mehreren Schritten ab.
Zunächst befinden sich zahlreiche Thorium-229-Atomkerne in einem Kristall.
Dann wird Laserlicht auf diese Kerne gerichtet.
Die Frequenz des Lasers wird äußerst genau eingestellt.
Trifft das Licht genau die Resonanzfrequenz des Atomkerns, nimmt dieser Energie auf und wechselt in einen anderen Quantenzustand.
Dabei verändert sich sogar seine Form minimal. Der Forscher Thorsten Schumm beschreibt den angeregten Kern bildlich als etwas länglicher – ungefähr in Richtung eines American Footballs. Eingefügter Text
Anschließend wird gemessen, bei welcher Laserfrequenz dieser Übergang stattfindet.
Und genau diese Frequenz wird zum Taktgeber.
Wo kommt nun die „Sekunde“ her?
Eine Uhr zählt im Grunde regelmäßige Vorgänge.
Bei einer Pendeluhr ist es das Pendel.
Bei einer Quarzuhr schwingt ein Quarzkristall.
Bei einer Atomuhr wird eine atomare Resonanz gezählt.
Je schneller und stabiler dieser Vorgang ist, desto feiner lässt sich die Zeit unterteilen.
Man kann sich das ähnlich wie ein Lineal vorstellen.
Hat ein Lineal nur Zentimeterstriche, kann man relativ grob messen.
Hat es zusätzlich Millimeter- und Mikrometermarkierungen, wird die Messung immer genauer.
Eine sehr hohe Frequenz liefert entsprechend sehr viele „Zeitmarkierungen“ innerhalb einer einzigen Sekunde.
Genau darin liegt das große Potenzial der Atomkernuhr.
Warum verwendet man Thorium-229?
Thorium-229 besitzt eine außergewöhnliche Eigenschaft.
Der für die Uhr interessante Kernübergang liegt energetisch so niedrig, dass er mit Laserlicht angeregt werden kann.
Das ist bei Atomkernen keineswegs selbstverständlich. Normalerweise liegen Kernübergänge bei deutlich höheren Energien.
Thorium-229 bildet deshalb eine Art Brücke zwischen Kernphysik und optischer Lasertechnik.
Die Wiener Forscher betrachten Thorium allerdings nicht zwingend als Endpunkt. Nach Angaben des Forschungsteams könnten langfristig auch andere Elemente untersucht werden, um noch höhere geeignete Frequenzen zu finden. Eingefügter Text
Ist diese neue Uhr bereits genauer als alle anderen?
Noch nicht.
Das ist ein wichtiger Punkt.
Die derzeitige Atomkernuhr liegt nach Angaben des beteiligten Forschers noch ungefähr um den Faktor 10.000 hinter den modernsten optischen Uhren.
Der jetzige Erfolg besteht deshalb nicht darin, bereits die genaueste Uhr der Welt gebaut zu haben.
Der Durchbruch besteht darin, dass das Prinzip jetzt über einen längeren Zeitraum stabil als Uhr funktioniert.
Das Team erwartet, dass sich die Technologie in den kommenden Jahren erheblich verbessern lässt. Die Hoffnung lautet, dass Atomkernuhren optische Uhren langfristig bei der Genauigkeit übertreffen könnten. Eingefügter Text
Warum könnte eine Atomkernuhr robuster sein?
Das ist möglicherweise sogar ihr größter Vorteil.
Moderne optische Uhren sind extrem genau, aber technisch ausgesprochen empfindlich.
Die verwendeten einzelnen Atome oder Ionen müssen aufwendig isoliert und kontrolliert werden. Temperatur, Bewegung, elektromagnetische Felder und andere Umwelteinflüsse können Messungen beeinflussen.
Beim Wiener Konzept sind dagegen viele Thoriumkerne fest in einen Kristall eingebettet.
Die Kerne können sich nicht einfach frei im Raum bewegen.
Dadurch könnte das System wesentlich weniger empfindlich gegenüber äußeren Störungen werden. Genau daraus entsteht die Hoffnung auf eine Präzisionsuhr, die irgendwann nicht mehr ein ganzes Speziallabor benötigt. Eingefügter Text
Vom Labor zum Schuhkarton
Der derzeitige Aufbau sieht noch wenig nach einer Uhr für das Wohnzimmer aus.
Spiegel, Laser, Kabel und Messgeräte füllen einen großen Teil des Labors.
Das soll sich ändern.
Das langfristige Ziel sind Geräte etwa in Schuhkartongröße – möglicherweise sogar noch kleiner. Eingefügter Text Eingefügter Text
Und genau dann würde die Technik für praktische Anwendungen besonders interessant.
Was bringt eine noch genauere Uhr überhaupt?
Bei einer Armbanduhr wäre der Nutzen praktisch bedeutungslos.
Ob die Küchenwanduhr nach zehn Jahren eine Mikrosekunde falsch geht, interessiert niemanden.
Bei Navigation, Satelliten und wissenschaftlichen Messungen sieht das völlig anders aus.
GPS beispielsweise funktioniert im Kern über Zeitmessung.
Ein Satellit sendet ein Zeitsignal.
Ein Empfänger misst, wie lange dieses Signal unterwegs war.
Da sich elektromagnetische Signale mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, bedeutet bereits ein winziger Zeitfehler einen messbaren Ortsfehler.
Eine Nanosekunde entspricht bei Lichtgeschwindigkeit bereits ungefähr 30 Zentimetern Wegstrecke.
Deshalb gilt vereinfacht:
Je genauer die Uhr, desto genauer kann die Position bestimmt werden.
Atomkernuhren für selbstfahrende Autos?
Genau hier sehen die Wiener Forscher eine mögliche Anwendung.
Die heutige Satellitennavigation erreicht je nach Bedingungen typischerweise Genauigkeiten im Meterbereich.
Für bestimmte vollständig autonome Anwendungen wäre eine deutlich feinere Positionsbestimmung interessant.
Bei einem selbstfahrenden Auto macht es einen erheblichen Unterschied, ob seine errechnete Position um zwei Meter oder nur wenige Zentimeter beziehungsweise Millimeter danebenliegt.
Sehr präzise Zeitnormale könnten deshalb künftig bessere Navigationssysteme ermöglichen. Eingefügter Text
Auch Satelliten könnten Atomkernuhren tragen
Eine kleine und robuste Atomkernuhr wäre besonders für Raumfahrt und Satellitennavigation interessant.
Optische Präzisionsuhren sind bislang sehr komplex und empfindlich.
Wenn eine Atomkernuhr ähnliche oder langfristig sogar bessere Präzision in wesentlich kompakterer Form erreichen könnte, ließe sie sich leichter auf Satelliten einsetzen.
Das könnte nicht nur GPS verbessern, sondern generell Navigation, Telekommunikation und wissenschaftliche Messungen.
Und dann störte ausgerechnet die Wiener U-Bahn
Eine schöne Randgeschichte der Entwicklung zeigt, wie empfindlich solche Experimente sind.
Um die neue Atomkernuhr zu prüfen, wurde sie mit einer optischen Referenzuhr beim österreichischen Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen verglichen.
Beide Einrichtungen sind über Glasfaser verbunden.
Das Problem:
Die Leitung verläuft in der Nähe der Wiener U-Bahn-Linie U2.
Die Erschütterungen und Geräusche des U-Bahn-Betriebs beeinflussten das optische Signal. Die Forscher konnten in den Messdaten nach eigener Beschreibung sogar Effekte von Durchsagen und schließenden Türen erkennen.
Diese Störungen mussten zunächst mathematisch herausgerechnet werden. Eingefügter Text
Es ist eine hübsche Ironie der Wissenschaft:
Man baut eine Uhr, die eines Tages vielleicht fundamentale Grenzen der Zeitmessung verschiebt – und zunächst funkt die Wiener U-Bahn dazwischen.
Warum dieser Versuch so bedeutend ist
Der eigentliche Durchbruch besteht nicht darin, dass wir morgen alle Atomkernuhren tragen werden.
Entscheidend ist der Nachweis:
Eine Uhr auf Basis eines Kernübergangs kann tatsächlich über längere Zeit stabil betrieben werden.
Damit ist aus einem physikalischen Konzept zunehmend eine reale Technologie geworden.
Sollte es gelingen, die Systeme kleiner, stabiler und erheblich präziser zu machen, könnte die Atomkernuhr irgendwann eine neue Generation der Zeitmessung begründen.
Von außen würde man davon wahrscheinlich kaum etwas bemerken.
Keine Zeiger.
Kein hörbares Ticken.
Nur ein Laser, ein Kristall und Milliarden Atomkerne, die gemeinsam dafür sorgen, dass wir immer genauer wissen, wie spät es wirklich ist.
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