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Atomphysik: Supergenaue Atomuhr

Mit einer Kombination aus einem geladenen Aluminium-Atom und einem gleichfalls geladenen Beryllium-Atom sehen sich Physiker vom amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) aus Boulder in der Lage, einen ultra exakten Zeitmesser zu bauen. Er könnte gut 100 000 Mal genauer arbeiten als heute gebräuchliche Atomuhren.

Bei letzteren dient die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung als Taktgeber, die ein Elektron bei einem gewissen Hyperfeinstrukturübergang eines Cäsium-Atoms abgibt: Die dabei entstehenden Mikrowellen schwingen über neun Milliarden Mal pro Sekunde von Plus nach Minus und gelten heute als Referenz für die Definition der Sekunde.

Aluminium wäre ein noch schnellerer und damit besserer Taktgeber. Es weist einen geeigneten elektronischen Übergang auf, bei dem sogar sichtbares Licht abgestrahlt wird, dessen Frequenz noch öfter die Polarität wechselt. Doch scheiterten Versuche mit Aluminium-Uhren bislang unter anderem daran, dass sich die Atome dieses Elements nicht mit Lasern zu den für eine exakte Messung notwendigen tiefen Temperaturen kühlen lassen. Das macht die gewünschten atomaren Übergänge nur schwer einstell- und nachweisbar.

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Neue Atomuhr? | In dieser Apparatur fingen Wissenschaftler des NIST Aluminium- und Beryllium-Ionen ein, um sie als neue, noch genauere Variante einer Atomuhr einzusetzen.
Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, greift die Forschergruppe um Till Rosenband daher zu einem Trick: Dem Aluminium-Ion, das sie in einer Ionenfalle gefangen halten, stellen sie ein gleichfalls positiv geladenes Beryllium-Atom zur Seite. Wegen ihrer gleichartigen Ladungen bilden beide nun eine Art Schaukel: Schwingungen des einen Objektes übertragen sich auf das andere.

Beryllium lässt sich nun – im Gegensatz zu Aluminium – durch Laserkühlung relativ einfach auf sehr tiefe Temperaturen bringen. Deren Ruhe strahlt auf den mitgefangenen Partner aus. So können Rosenband und seine Kollegen jetzt physikalisch saubere elektronische Übergänge im Aluminium anregen. Diese bringen den Atomrumpf darüber hinaus leicht zum Vibrieren. Die feinen Erschütterungen wiederum übertragen sich auf das Beryllium-Ion, was die Wissenschaftler leicht nachweisen können. Das so zusammengebrachte Duo eignet sich nach Ansicht der Experimentatoren daher vorzüglich als Rhythmusgeber für einen künftigen hochgenauen Chronografen.

Mit derart exakt gehenden Uhren ließen sich beispielsweise Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie sowie der Quantenelektrodynamik mit einer bislang nicht gekannten Präzision überprüfen oder eventuelle zeitliche Variationen von Naturkonstanten wie der Feinstrukturkonstante α nachweisen.
30.07.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 30.07.2005

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