Tick, tack, tick, tack – das Geräusch einer Schwingung, das nur einmal pro Sekunde zu hören ist und Pendeluhren damit sehr ungenau macht. Wesentlich genauer ist die Atomuhr. In ihr schwingen Cäsium-Atome neun Milliarden Mal pro Sekunde. Das reicht den Wissenschaftlern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) aber für eine zuverlässige Zeitmessung immer noch nicht aus. Die Forscher entwickeln deswegen eine optische Uhr mit einer Taktfrequenz, die bis zu 100.000 Mal schneller ist als die einer Cäsium-Atomuhr.
Für wen eine so genaue Zeitbestimmung eine Rolle spielt? Etwa für das Highspeed-Trading im Bankensektor oder die Satellitennavigation.
Optisch hat die Uhr der Braunschweiger nichts mit einer klassischen Uhr gemein. Sie besteht aus zahlreichen winzigen Spiegeln, die auf einem großen Labortisch in der PTB montiert sind. Die Spiegel erzeugen ein Gitter aus Laserlicht, in dem sich mehrere Tausend Stromtium-Atome befinden. Ein zweiter Laser regt die Atome an, um Übergänge der Elektronen auszulösen. Die Schwingungen der Atome zählen die Forscher.
Schwingungen sind 0,000 000 000 000 002 Sekunden kurz
Wie kurz eine Schwingung ist, ist kaum vorstellbar. Sie dauert lediglich 0,000 000 000 000 002 Sekunden. Die Uhr läuft damit so genau, dass die Ungenauigkeit seit Beginn des Universums vor rund 14 Milliarden Jahren nur 100 Sekunden betragen würde. „Auf der Welt gibt es vielleicht zwei oder drei Uhren, die genauer sind. Aber bei der Stabilität stehen wir dafür super da“, sagt PTB-Arbeitsgruppenleiter Christian Lisdat dem Spiegel.
Welche Uhr noch genauer ist? Die Strontium-Gitter-Uhr des National Institute of Standards and Technology aus Colorado. Ihre Atome schwingen 430 Billionen Mal pro Sekunde. In 15 Milliarden Jahren ginge die Uhr somit nur eine Sekunde nach.
In zehn Jahren droht der Cäsium-Atomuhr das Aus
Ganz zuverlässig funktioniert die optische Uhr aus Braunschweig aber noch nicht. „Ein lautes Türenkallen reicht manchmal schon und der Laser kommt aus dem Lot“, sagt Lisdat. Die Lösung der Forscher: ein sogenannter Maser, ein Laser im Mikrowellenbereich, der bei Ausfällen einspringt. Mit ihm haben die Forscher die Messunsicherheiten in einem 25-Tage-Test reduzieren können. Lisdat ist überzeugt: „In zehn Jahren könnte die optische Uhr die Cäsium-Atomuhr ablösen.“
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