PTB entwickelt Atomuhren-Multitool dank eierndem Atomkern

Immer noch geben Cäsium-Atomuhren die Grundlagen der Zeitmessung an. Und das offiziell seit dem 13. Oktober 1967. Seit Jahrzehnten aber schon gibt es – realisiert in den metrologischen Laboren der Welt – genauere Atomuhren. Während die Cäsium-Atomuhr Mikrowellenstrahlung nutzt, nutzen sie sichtbares Licht. Das macht sie genauer. Nur sind sie eben noch nicht offiziell als Grundlage für die Zeitmessung zugelassen.

Ein Grund, warum diese sogenannten „optischen“ Atomuhren noch nicht die Normsekunde liefern dürfen, ist auch: Es gibt so viele Varianten. Welche nehmen? Es gibt daher ein weltweites technologisches Wettrennen der metrologischen Labore: Wessen Lösung setzt sich durch? Zudem müssen sich die Labore entscheiden: Setzen Sie eher auf Genauigkeit oder darauf, dass die Uhr schnell sehr stabil läuft?

Genau für dieses Dilemma hat jetzt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig erstmals eine Lösung gefunden und nachgewiesen. Die theoretischen und experimentellen Grundlagen für diesen völlig neuartigen Uhrentyp basieren auf dem seltenen Isotop Ytterbium-173. Und das hat eine seltsame Eigenschaft: Der Atomkern ist deformiert, statt einer Kugelform ist es ein eiernder Kreisel.

Optische Atomuhren sind die Zukunft

Hinter den Kulissen der Metrologie, der Wissenschaft vom Messen, gibt es ein öffentlich kaum wahrgenommenes globales Wettrennen darum, welches Labor mit seiner Technik den neuen Zeitstand für die SI-Einheit der Zeit, die Normsekunde, liefern wird. Technologisch ist schon klar, welche Art von Experiment es dazu braucht: eine optische Atomuhr. „Welche der verschiedenen optischen Uhren dafür als Grundlage dienen wird, ist noch völlig offen“, schreibt die PTB.

SI steht für „Système international d’unités“ und die SI-Einheiten sind die offiziellen physikalischen Grundgrößen nach dem internationale Einheitensystem. Alle SI-Einheiten, also auch die Sekunde, sind über sieben physikalische Konstanten definiert, die einen exakten Wert haben. Für die nationale Umsetzung sind in der Regel metrologische Staatsinstitute zuständig. Sie betreiben hochpräzise Experimente, die als Ergebnis die rechtlich verbindlichen Normale für die Maßeinheiten bereitstellen.

Atomuhren sind physikalische Experimente, die beständig laufen. Diese Zeitmesser nutzen die Tatsache, dass der Unterschied zwischen zwei Energieniveaus in der Elektronenhülle von Atomen oder Ionen festliegt. Dessen Wellenlänge, Uhrenübergang genannt, ist das Pendel der Uhr, und das Experiment beprobt beständig diese Energiedifferenz. Bei der Cäsium-Atomuhr sind es Mikrowellen, bei den optischen Atomuhren sichtbares Licht. Und dessen Uhrenübergänge, ihre Pendelschläge, sind hunderttausendfach schneller als die der Atomuhr auf Mikrowellenbasis.

Genauigkeit vs. Stabilität: Worin der fundamentale Konflikt für eine neue Atomuhr besteht

Der Bau der perfekten Atomuhr ist ein ständiger Kompromiss zwischen zwei konkurrierenden Eigenschaften für eine solche Uhr: Genauigkeit und Stabilität. Eine Atomuhr kann hochgenau sein, falls sie aber sehr empfindlich – sprich instabil – ist, wird es schwierig, sie als Zeitstandard zu nutzen. Denn solch ein Standardexperiment soll ja sehr zuverlässig möglichst genau die Sekunde liefern. Andererseits soll ein neuer Zeitstandard ja auch eine möglichst große Verbesserung gegenüber dem bisherigen bringen.

Genau hier liefert eine optische Atomuhr auf Basis von Y-173-Ionen eine neue Möglichkeit, einen möglichst guten Kompromiss hinzubekommen. Sie könnte die hohe Genauigkeit einer optischen Atomuhr auf Basis einzelner Ionen mit der verbesserten Stabilität mehrerer Ionen kombinieren, so die PTB.

Die Präzision des Einzel-Ions

Man nehme eine einzelnes Ytterbium-Ion, und zwar des Isotops Y-171, setze es in eine sogenannte Paul-Falle, dann hat man eine der genauesten optischen Atomuhren der Welt. Genauigkeit im Bereich von 3×10^-18. Das ist ein Faktor Hundert besser als die der Cäsium-Atomuhr mit 10⁻¹⁶, was einem Fehler von einer Sekunde auf 100 Mio. Jahre entspricht.

Der entscheidende Nachteil: Beprobt wird ein einzelnes (!) Ion.  Das Messsignal aus einem solchen Experiment ist sehr schwach. Damit man auch sicher sein kann, muss die Messung sehr oft wiederholt werden: Die Folge sind eine vergleichsweise geringere Stabilität und sehr lange Messzeiten.

Die Stabilität vieler Atome und Ionen

Statt einzelner Ionen lassen sich auch ganze Ensembles von Tausenden neutraler Atome, zum Beispiel Strontium, in einem sogenannten optischen Gitter einfangen. So lässt sich das Uhrensignal über sehr viele Teilchen mitteln, das Signalrauschen sinkt drastisch. Die Stabilität wird so besser, es gibt in kurzer Zeit eine sehr präzise Messung. Der Nachteil: Da sich die gefangenen Atome gegenseitig stören, wird die Messung nicht ganz so genau. Aber mit 2,1×10⁻¹⁸ schon sehr genau.

Ytterbium-173 könnte die Genauigkeit eines Einzel-Ions und die Stabilität eines Vielteilchensystems kombinieren

Der „Heilige Gral“ der Atomuhrenbauer wäre also eine Uhr, die die Vorteile beider Systeme vereint: Genau hier setzt die PTB mit Ytterbium-173 an. Das Besondere an diesem Ytterbium-Isotop ist sein Kern: Er ist nicht perfekt kugelförmig, sondern deformiert, wie ein eiernder Kreisel. Das Eiern hat Folgen: Im Inneren des Atomkerns erzeugt es kleine, fluktuierende elektromagnetische Felder. Und die erlauben es einen physikalischen Trick anzuwenden: Ein eigentlich sogenannter hoch verbotenen Übergang ist mit wenig Aufwand nutzbar.

Sprich: Ein Laser mit relativ wenig Leistung strahlt die für diesen Quantensprung benötigte Lichtwellenlänge auf den Kern, um das Ytterbium-Ion anzuregen. Dieser Zustand hat eine relativ lange Lebensdauer. Das PTB-Team hat zusammen mit Kollegen und Kolleginnen des thailändischen Metrologie-Instituts NIMT im Experiment die genaue Übergangsfrequenz gemessen und eine Lebensdauer von etwa 49 (21) Tagen abgeleitet. Das ist laut Studie etwa eine Größenordnung schlechter als die Lebensdauer von Atomuhren auf Basis eines einzelnen Ytterbium-171-Ions.

So sei „jetzt der Weg frei für eine optische Ytterbiumuhr mit mehreren Ionen, die die hohe Genauigkeit von Einzelionenuhren mit der verbesserten Stabilität des Mehrionenbetriebs kombiniert“, so die PTB in ihrer Mitteilung.

Laut PTB eigne sich die neue atomare Spezies ebenfalls sehr gut als Multi-Qubit für die Quanteninformation, da sich die Quantenzustände extrem genau per Laserstrahlung manipulieren lassen. Es können mehr Quanteninformation gleichzeitig enkodiert werden. So biete sich hier eine neue Möglichkeit für die Quantencomputerforschung. „Unsere Ergebnisse ebnen den Weg für Multi-Ionen-Optik-Uhren und Quantencomputer auf Basis von 173Yb+“, so das Forschungsteam in seiner Arbeit.