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News: Auch Atomuhren kommen aus dem Takt

Ein Vorbild an Genauigkeit, Pünktlichkeit, Zuverlässigkeit. Man könnte die Uhr danach stellen, wenn man das nicht sowieso schon machen würde. Die Rede ist von der Atomuhr. Aber auch sie wird mit der Zeit immer nachlässiger und zeigt die Minuten nicht mehr akkurat an. Der Grund hierfür sind die sperrigen Cäsium-Atome, die auf ihrem unermüdlichen Weg in und aus dem Hohlraum immer häufiger zusammenstoßen und dabei ‚aus dem Takt geraten'. Einen Ausweg aus diesem Dilemma könnten die kleineren Rubidium-Atome bieten, die weniger Platz b eanspruchen und sich daher nicht so häufig frontal begegnen.
Wie das Wort schon verrät, arbeitet eine Atomuhr nicht mit einem gleichmäßig schwingenden Pendel, wie die alte Standuhr bei Oma im Wohnzimmer, sondern mit Milliarden einzelner Atome. Eins der gängigen Modelle ist die Cäsium-Atomstrahluhr (Cesium Fountain Clock NIST F-1), in der aus einem Cäsium-Atomstrahlofen Milliarden von Atomen abgeschossen werden. Erreichen die Atome eine dahinter geschaltete Vakuumkammer, verlangsamen sechs Laser die Atombewegungen – indem sie die Atome bis nah an den absoluten Tiefpunkt kühlen – und drängen sie somit in Form einer Wolke zusammen. Anschließend schleudern zwei Laser diesen Ball in einen Hohlraum, in den Mikrowellen einstrahlen. Bei ausgeschalteten Lasern wird der Ball von der Schwerkraft angezogen und fällt wieder durch den Hohlraum nach unten. Hierbei ändern die Mikrowellen den Spin einzelner Cäsiumatome von plus zu minus. Trifft die gewandelten Atome ein Lichtstrahl, emittieren sie Licht, das von einem Detektor gemessen werden kann. Der gesamte Prozess wird wiederholt, bis die maximale Fluoreszenz des Cäsiums bestimmt ist. Dieser Punkt definiert die natürliche Resonanzfrequenz von Cäsium und legt eine Sekunde fest.

Da könnte die Atomuhr schön gleichmäßig vor sich hin ticken, wenn die verwendeten Cäsiumatome nicht etwas umfangreich wären. Während die Atome unermüdlich ihren Weg in und aus dem Hohlraum fortsetzen, treffen sie auf Grund ihrer Größe öfter mal aufeinander. Diese ungewollten Kollisionen ändern wiederum die Spinzustände der Atome und machen es unmöglich, die Genauigkeit der Uhr zu bestätigen.

Aber laut Kurt Gibble und Chad Fertig von der Yale University gibt einen einfachen Weg aus diesem Dilemma: man tauscht die Cäsium-Atome durch die kleineren Rubidium-Atome aus. Allein dies würde den Fehler in einer Atomuhr, die auf dem oben genannten Prinzip beruht, um den Faktor 30 reduzieren (Physical Review Letters vom 21. August 2000). Damit man auch in Zukunft seine Uhr danach stellen kann.

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