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Die Atomuhr

Eine Atomuhr ist eine Uhr, deren Zeittakt (meist ein Mikrowellensignal) mit atomaren Schwingungszuständen abgeglichen wird. Da die Frequenz solcher Schwingungen konstant ist und sehr genau bestimmt werden kann, ist eine Atomuhr die bislang genauest gebaute Uhr. Aus den Messwerten von über 260 Atomuhren an über 60 weltweit verteilten Instituten legt das “Bureau International des Poids et Mesures” (BIPM) in Paris die “Internationale Atom Zeit” (TAI) als Referenzzeit fest.

Aufbau und Funktionsweise einer Atomuhr

Als atomarer Übergang wird häufig der Hyperfeinstruktur-Übergang F=4, mF=0 ? F=3, mF=0 des 2S1/2-Grundzustandes eines 133 Cäsium-Atomes verwendet. Dieser Übergang hat eine Frequenz von 9,192631770 GHz. 1967 wurde die SI-Einheit Sekunde über diesen Wert festgelegt.

Solange die Temperatur des Cäsiums nicht extrem niedrig ist (in der Größenordnung 1 mK), sind beide Zustände etwa gleich besetzt. Um den Übergang messen zu können, muss einer der Zustände selektiert werden. Das geschieht entweder dadurch, dass man einen Atomstrahl durch ein starkes, inhomogenes Magnetfeld schickt, oder durch optisches Pumpen mit Laserlicht.

Der zweite Hauptbestandteil einer Atomuhr ist ein Mikrowellenresonator, in dem Übergänge zwischen den beiden Zuständen stattfinden können. Nach der Wechselwirkung mit dem Mikrowellenfeld wird schließlich die Besetzung des anfangs ausselektierten Zustands gemessen. Wenn die Frequenz des Mikrowellenresonators mit der Frequenz des Übergangs übereinstimmt, erhält man ein Signal-Maximum.

In einer neueren Atomuhr arbeitet man mit langsameren Cäsium-Atomen, um die Genauigkeit zu erhöhen. In der “Cäsium-Fontäne” werden Cäsiumatome zunächst stark abgekühlt, so dass sie nur noch etwa einen Zentimeter pro Sekunde schnell sind. (Im thermischen Atomstrahl sind es etwa 100 Meter pro Sekunde.) Die langsamen Atome werden dann mit einem Laser nach oben beschleunigt und durchlaufen eine ballistische Flugbahn (deswegen der Ausdruck Cäsium-Fontäne), hierdurch kann die effektive Wechselwirkungsdauer der Atome mit den eingestrahlten Mikrowellen verlängert werden, was eine exaktere Frequenzbestimmung erlaubt. Die Gangunsicherheit einer herkömmlichen Atomuhr beträgt etwa 1·10-14 (1 Sekunde Abweichung in 3 Mio. Jahren), die einer Cäsium-Fontäne liegt nur bei etwa 1·10-15 (1 Sekunde Abweichung in 30 Mio. Jahren).

Neben Cäsium werden auch Rubidium, Wasserstoff und andere Atome für Atomuhren verwendet. Um größere Genauigkeiten zu erreichen, was erstrebenswert ist, um physikalische Experimente genauer durchführen zu können, werden zur Zeit Experimente mit Elementen gemacht, die geeignete Übergänge bei optischen Wellenlängen haben. Hierdurch erreicht man Frequenzen von hunderten Terahertz an Stelle der herkömmlichen 9 GHz. In diesen Experimenten werden einzelne Ionen in einer Paul-Falle gespeichert und ein Laser wird auf einen schmalbandigen Übergang (meist ein Quadrupol- oder Oktupolübergang) stabilisiert. Die technische Herausforderung dabei ist es, die hochstabile Laserfrequenz auf elektronisch messbare Frequenzen herunterzudividieren. Hierzu wurde am Max-Planck-Institut für Quantenoptik ein Verfahren entwickelt.

Einsatzmöglichkeiten einer Atomuhr

Eine andere Entwicklungslinie neben den hochpräzisen Uhren verfolgt den Bau preiswerterer, kleinerer, leichterer und energiesparenderer Uhren, z.B. für den Einsatz in Satelliten, Raketen oder Drohnen. Satellitennavigationssysteme wie GPS, GLONASS oder (zukünftig) Galileo benutzen Atomuhren in ihren Satelliten, um durch ihre hochgenaue Zeit die Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen. Im Jahr 2003 ist es gelungen, eine Rubidiumatomuhr zu bauen, die nur ein Volumen von 40 cm3 einnimmt und eine Leistung von einem Watt verbraucht. Dabei erreicht sie eine Gangunsicherheit von ca. 3·10-12. Das entspricht einer Abweichung von einer Sekunde in 10.000 Jahren und damit ist die Atomuhr zwar deutlich ungenauer als die großen stationären Atomuhren, aber erheblich genauer als eine Quarzuhr. (Genaue Quarzuhren haben eine Abweichung von einer Sekunde in einem Monat, verglichen mit diesen ist diese kleine Atomuhr 120.000 mal genauer.) Bei einer Atomuhr in Satelliten müssen fünf relativistische Effekte berücksichtigt werden, die eine Gangdifferenz zu einer erdgebundenen Atomuhr verursachen.

In Deutschland sind mehrere Atomuhren bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig in Betrieb, darunter auch eine Cäsium-Fontäne im Regelbetrieb. Über einen Langwellensender in Mainhausen-Mainflingen bei Frankfurt erhalten in Mitteleuropa alle Funkuhren, über den Sender DCF77 ihr Signal. Das britische Pendant zu DCF77 ist der Sender MSF60. Mittels Network Time Protocol (NTP) werden die Zeitimpulse zahlreicher Atomuhren auch im Internet zur Verfügung gestellt.

 
 
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