Optische Strontiumuhr: Wird die Sekunde neu definiert?

Blick in die Ultrahochvakuumkammer, in der Strontiumatome gekühlt und gespeichert werden (Bild: Physikalisch-Technische Bundesanstalt)

Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben den Einfluss der Raumtemperatur auf die Eigenzustände im Strontiumatom untersucht. Das soll die Grundlage für optische Uhren liefern und zur Definition einer "neuen Sekunde" führen.

Optische Uhren mit neutralen Strontiumatomen könnten helfen, die SI-Basiseinheit Sekunde genauer zu definieren. Die neuen Erkenntnisse könnten auch bei der Frage helfen, ob Naturkonstanten wirklich konstant sind. Größter Unsicherheitsfaktor ist bislang die Raumtemperatur, denn Strontiumatome reagieren relativ stark auf die Umgebungstemperatur; ihr atomares Niveau wird dadurch energetisch verschoben, was die Uhr ungenau werden lässt.

Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) konnten diesen Einfluss nun erstmals über eine Hilfskonstruktion messen und veröffentlichten ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

Die optischen Uhren sollen helfen, Zeit genauer zu messen, als dies mit Atomuhren möglich ist. Sie erreichen dies, da die optische Strahlung schneller schwingt als Mikrowellenstrahlung, mit der zurzeit in Cäsium-Atomuhren die Sekunde "gemacht" wird. Je schneller die gemessene Schwingung, desto genauer kann prinzipiell die Zeit unterteilt werden und desto stabiler läuft die Uhr.

In einer optischen Strontiumuhr wird eine Wolke von neutralen Strontiumatomen in zwei Stufen mit Hilfe von gezielt eingesetzter Laserstrahlung gekühlt, bis schließlich die Atome nur noch wenige Zentimeter pro Sekunde schnell sind. Ein sogenanntes optisches Gitter sorgt dafür, dass sie festgehalten werden und sich praktisch gar nicht mehr bewegen.

Um den Einfluss der Umgebungstemperatur auf Eigenzustände im Strontiumatom zu messen, haben die PTB-Wissenschaftler eine Hilfskonstruktion genutzt: Für die nötige Genauigkeit haben sie den Effekt deutlich verstärkt, indem sie anstelle des elektromagnetischen Wechselfeldes der Schwarzkörperstrahlung ein statisches elektrisches Feld verwendeten. Sie konstruierten einen speziellen Plattenkondensator, dessen elektrisches Feld auf wenige hundertstel Promille bekannt ist. Dazu durfte der Abstand der beiden Platten, der 0,5 cm betrug, über seine Länge von 7 cm um nur wenige 100 nm variieren. Gleiches galt für die Genauigkeit bei der Messung des Abstandes.

Mit Hilfe dieses Plattenkondensators maßen die PTB-Wissenschaftler erstmals den Einfluss von elektromagnetischen Feldern auf die beiden für ihre Uhr entscheidenden Eigenzustände im Strontiumatom. So ermittelten sie dessen Beitrag zur Gesamtmessunsicherheit auf 5 x 10^-18. Da dieser Einfluss bisher die Gesamtmessunsicherheit der Strontiumuhr am stärksten begrenzte, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass die nächsten Frequenzmessungen der gesamten Uhr deutlich unter den bisher erreichten 1 x 10^-16 liegen werden.