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Zeitmessung: Atomuhr noch genauer gemacht

Forscher um Jun Ye von der University of Colorado realisierten eine Uhr, die erst nach 300 Millionen Jahre eine Sekunde nachgeht. Bislang schien die Präzision bei dem Verlust einer Sekunde in 150 Millionen Jahren an eine Grenze zu gelangen. Grund hierfür sei, dass sich die Atome nicht so verhalten, wie es die Quantenphysik es erwarten würde, berichten die Wissenschaftler.

In Atomuhren verwenden Physiker Teilchen namens Fermionen, zum Beispiel einige hundert oder tausend identische Strontiumatome. Denn der Theorie zufolge sollten diese nicht miteinander wechselwirken, also etwa aneinanderstoßen, da sie weder denselben Raum noch denselben Energiezustand einnehmen dürfen. In einer optischen Falle gefangen und fast bis auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt, sollten sie dank ihrer Quanteneigenschaften wie eine perfekte Uhr funktionieren: Mit Hilfe von Laserlicht lassen die Wissenschaftler die Elektronen darin zwischen zwei Energieniveaus hin- und herschwingen – wie das Pendel einer Uhr.

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Ultrakalte Strontiumatome | Um als Atomuhr zu arbeiten, werden die Strontiumatome mit Hilfe von Laserlicht gekühlt und manipuliert. Zudem erzeugen Spulen ein Magnetfeld, welches das der Erde kompensiert.
Der Theorie zum Trotz scheinen dennoch einige der ultrakalten Strontiumatome zusammenzustoßen, was schließlich die Präzision der Uhr vermindert, berichten Ye und seine Kollegen. Denn die unkontrollierten Wechselwirkungen stören die Energiezustände der Atome und verschieben damit die Anzahl der "Ticks" pro Sekunde. Der störende Effekt, so fanden die Forscher in Experimenten heraus, kommt dadurch zu Stande, dass die Laserpulse die Atome in manchen Fällen aus leicht verschiedenen Richtungen treffen und diese somit nicht exakt gleichmäßig anregen. Dadurch sind sie nicht mehr absolut identisch und dürfen auch aus theoretischer Sicht miteinander interagieren.

Die Wechselwirkungen zwischen den Atomen können aber deutlich reduziert werden, so die Forscher. Dafür müssten etwa die Teilchen weiter abgekühlt werden oder die optische Falle "vertieft". Würde zudem der Anteil der angeregten Atome im Ensemble bei rund 50 Prozent liegen, würde es zu nahezu keinen Stößen mehr kommen.

Mit Hilfe der nun verdoppelten Präzision können große Entfernungen, etwa die Distanz zu fernen Galaxien, genauer vermessen werden. Andererseits lassen sich beispielsweise auch die winzigen Bewegungen der Kontinentaldrift besser bestimmen. (mp)
16. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 16. Woche 2009

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  • Quellen
Campbell, G. K. et al.: Probing Interactions Between Ultracold Fermions. In: Science 324, S. 360–363, 2009

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