Üblicherweise sind Atomuhren entweder ultrapräzise oder robust, aber nicht beides. Das haben Fachleute nun geändert. Sie haben ihre neu entwickelte Präzisionsuhr an Bord eines Marineschiffs auf Herz und Nieren geprüft – und tatsächlich: Die Werte schwankten bloß um 300 Billionstel einer Sekunde pro Tag. Eine so präzise, transportable Uhr könnte vielen Forschungsarbeiten zugutekommen, bei denen es auf eine genaue Zeitmessung ankommt, etwa bei der Kartierung des Schwerefelds der Erde oder beim Einsatz mehrerer Teleskope, um Schwarzer Löcher abzubilden.

Die Uhr, die Forschende um Jonathan D. Roslund vom kalifornischen Unternehmen Vector Atomic im April 2024 im Fachjournal »Nature« vorgestellt haben, könne zudem eine lebenswichtige Ersatzlösung sein, wenn Signale von globalen Navigationssystemen in Konfliktgebieten gestört werden, erklärt Tetsuya Ido, Direktor des Space-Time Standards Laboratory am Radio Research Institute in Tokio. Auch die Physikerin Elizabeth Donley, die bei der US-amerikanischen Standardisierungsbehörde National Institute of Standards and Technology in Boulder arbeitet, zeigt sich beeindruckt: »Wir freuen uns darauf, das Gerät in den Händen zu halten.«

Atomares Ticken

Das Ticken von Atomuhren ist an die Frequenz der Strahlung gekoppelt, die Atome aufnehmen und aussenden, wenn sie zwischen verschiedenen Energiezuständen hin und her wechseln. Die meisten dieser Uhren verwenden Cäsium oder andere Elemente, die Mikrowellenstrahlung emittieren. Einige davon sind tragbar und werden im Handel angeboten. Forschende haben aber auch Uhren auf Basis von Strontium oder ähnlichen Atomen entwickelt, die mit höheren Frequenzen (sichtbarem Licht) arbeiten, um die Zeit noch präziser zu bestimmen. Diese optischen Uhren sind allerdings meist so groß wie ein Esstisch und funktionieren nur unter kontrollierten Laborbedingungen.

Vector Atomic hat nun eine optische Uhr vorgestellt, die nur 26 Kilogramm wiegt und einschließlich Gehäuse etwa die Größe von drei Schuhkartons hat. Obwohl diese Atomuhr nicht mit den besten optischen Zeitmessern aus dem Labor mithalten kann, ist sie etwa 1000-mal präziser als Uhren ähnlicher Größe, die derzeit auf Schiffen genutzt werden, sagt der Mitbegründer des Unternehmens Jamil Abo-Shaeer.

Um ihren neuen Zeitmesser zu testen, platzierten die Fachleute von Vector Atomic drei der Uhren an Bord des Schiffs HMNZS Aotearoa der Royal New Zealand Navy während einer dreiwöchigen Reise um die Hawaii-Inseln. Trotz der Vibrationen und des Schaukelns des Schiffs funktionierten die Atomuhren fast genauso gut wie im Labor. Sie waren bemerkenswert stabil und hielten die Zeit innerhalb eines Tages mit einer Genauigkeit von 300 Billionstel Sekunden ein. Diese Stabilität sei mit der einer Wasserstoff-Maser-Uhr vergleichbar, sagt Donley – einer zuverlässigen Mikrowellen-Atomuhr, die standardmäßig in der internationalen Zeitmessung verwendet wird. Die Uhr von Vector Atomic ist jedoch weitaus robuster und ist nur ein Zehntel so groß.

Die robusten Eigenschaften der Uhr gehen unter anderem auf die Jodmoleküle zurück, die kompakte und langlebige Laser zum Schwingen bringen. Die Moleküle reagieren weniger empfindlich als manche Atome auf Temperaturschwankungen, Magnetfelder und Druck, sagt der Physiker Martin Boyd, Mitbegründer von Vector Atomic und Mitverfasser der Studie. Sollte es dem Team gelingen, die Uhr weiter zu verkleinern, könnten künftige Modelle an Bord von Navigationssatelliten fliegen, um die Präzision von einigen Metern auf wenige Zentimeter zu verbessern, sagt Abo-Shaeer.