Kleiner als ein Zuckerwürfel 29.08.2023, 08:58 Uhr

Kleinste Atomuhr der Welt lässt die Zeit schrumpfen

Yuan-Yu Jau arbeitet an der Entwicklung der kleinsten Atomuhr der Welt, einem hochpräzisen Zeitmesser. Wenn ihm und seinem Team am Sandia Research Institute das gelingt, wird die neue Uhr kleiner sein als ein Stück Zucker.

kleinste Atomuhr der Welt

Beim Bau der kleinsten Atomuhr der Welt ist viel Feingefühl notwendig.

Foto: Sandia/Craig Fritz

Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hat im vergangenen Jahr einen Wettbewerb zur Entwicklung kleinerer und präziserer Zeitmesser ausgeschrieben. Yuan-Yu Jau leitet das Team von Sandia, das sich, neben weiteren Mitbewerbern, dieser anspruchsvollen Aufgabe angenommen hat. Die DARPA ist eine Behörde des Verteidigungsministeriums der Vereinigten Staaten, während die Sandia-Forschungslabore dem US-Energieministerium unterstellt sind.

„Sie wollen ein Kubikzentimeter für alles, und derzeit gibt es keine Atomuhr dieser Größe“, erläutert Yuan-Yu die Aufgabe. Das Kernstück der Uhr ist noch kleiner: etwa ein Zentimeter lang und nur zwei Millimeter breit und hoch, insgesamt 0,04 Kubikzentimeter. Doch die Minigröße ist noch nicht alles: Die DARPA verlangt von den Geräten zudem eine Genauigkeit von einer Millionstel Sekunde. Das wäre bei Uhren im Taschenformat ein Quantensprung, die bisher leistungsfähigsten Uhren dieser Bauart sind um ein Vielfaches ungenauer.

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Sandia kennt sich mit kompakten Atomuhren aus

Das Forschungsinstitut Sandia verfügt über umfangreiche Erfahrungen auf dem Gebiet kompakter Zeitmessgeräte. Bereits in den frühen 2000er Jahren trugen die Labors zur Entwicklung der Chip Scale Atomic Clock (CSAC) bei, einem Gerät, das mit rund 17 Kubikzentimetern kaum größer ist als eine Streichholzschachtel. Bei ihrer Einführung war die CSAC die kleinste Atomuhr der Welt und ist es bis heute geblieben.

Die erste Atomuhr überhaupt wurde 1948 vom damaligen U.S. National Bureau of Standards, dem heutigen National Institute of Standards and Technology gebaut. Erstmals wurde die Zeit nicht mit Hilfe von Zahnrädern, Federn oder Pendeln, und auch nicht mit Hilfe der Erdrotation gemessen. Die Zeitmessung erfolgte durch elektromagnetische Signale, die von den Elektronen in der Umgebung eines Atoms ausgesendet wurden. Das machte sie unglaublich präziser, aber präziser geht immer, was mit der kleinsten Atomuhr der Welt bewiesen werden soll.

Atomuhren ebneten Weg zu GPS

Atomuhren ebneten einst den Weg für das GPS, das auf hochpräzise synchronisierte Uhren angewiesen ist. Interessanterweise forscht die DARPA derzeit an kleinen, präzisen Uhren, die Fahrzeugen bei der Navigation helfen könnten, wenn das GPS ausfällt. Also ein Schritt zurück, aber mit wesentlich leistungsfähigeren Uhren.

Das Prinzip ähnelt der Entfernungsberechnung auf einer langen Autobahn: Wenn man konstant mit 120 Stundenkilometern fährt, kann man nach einer Stunde sicher sein, 120 Kilometer zurückgelegt zu haben. In solchen Szenarien ist eine zuverlässige Uhr von entscheidender Bedeutung.

30-mal genauer als andere Uhren im Taschenformat

Für Anwendungen in der Verteidigungstechnik ist höchste Präzision bei der Navigation unabdingbar. Die DARPA ist daher auf der Suche nach Uhren, die über einen Zeitraum von bis zu einer Woche eine Genauigkeit im Bereich von Millionstel Sekunden aufweisen. Während die genauesten Uhren der Welt große Geräte sind, die diese Genauigkeit über Zehntausende von Jahren halten können, sind kompaktere Modelle weniger genau. Das gemeinsame Ziel von Sandia und DARPA ist es, Uhren im Taschenformat zu entwickeln, die 30-mal genauer sind als die derzeit fortschrittlichsten Modelle dieser Größe.

Neben der Präzision verlangt die Behörde auch Verbesserungen beim Stromverbrauch sowie bei der Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturschwankungen und Vibrationen. „Das ist eine viel größere Herausforderung als alles bisher Erreichte“, betont Yuan-Yu Jau. Durch die Optimierung von Größe, Gewicht und Energieeffizienz könnten solche fortschrittlichen Navigationssysteme flexibler in einer Vielzahl von Fahrzeugen eingesetzt werden, von Kriegsschiffen über Drohnen bis hin zu Satelliten.

Prototyp benötigt keine externe elektronische Steuerung

Yuan-Yu Jau ist optimistisch, dass es ihm und seinem Team gelingen wird, den gewünschten präzisen Zeitmesser zu entwickeln. Eine erste Version hat er bereits realisiert. Vor 16 Jahren, als er noch Physikdozent an der Princeton University war, baute er seinen ersten Prototyp eines Laser-Atomoszillators. Dieses Gerät hatte etwa die Größe eines Werkzeugkastens, erfüllte aber dieselbe Funktion wie eine Atomuhr. Es erzeugte einen konstanten, taktähnlichen Puls, indem es einen Laser durch eine Wolke von Kaliumatomen schickte.

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Ein besonderes Merkmal des Prototyps war seine Autonomie: Der Oszillator benötigte keine externe elektronische Steuerung, um den periodischen Puls aufrechtzuerhalten. Bei vielen herkömmlichen Atomuhren ist eine zusätzliche Elektronik erforderlich, die oft den größten Teil des Platzbedarfs ausmacht. Würde man die Hilfselektronik aus einer CSAC entfernen, wäre der eigentliche Zeitmesser nur noch so groß wie ein Reiskorn.

Yuan-Yu erklärte, dass die Größe seines Prototyps hauptsächlich darauf zurückzuführen sei, dass es einfacher sei, ein größeres Gerät zu bauen – vor allem, wie er humorvoll bemerkte, „mit meinen Wurstfingern“. Jetzt hat er die Werkzeuge, um die Atomuhr kleiner zu machen.

Mikroelektronikanlage macht es möglich

Yuan-Yu Jau beabsichtigt, die Kaliumatome des ursprünglichen Designs durch Cäsiumatome zu ersetzen und das Gerät mithilfe von Technologien des Sandia Microsystems Engineering, Science and Applications Complex zu verkleinern. Diese Einrichtung ist ein Hybrid aus Forschung, Entwicklung und Produktion im Bereich der Mikroelektronik.

Yuan-Yu ist davon überzeugt, dass er mit dem eigenständigen Design seines Prototyps die Größe, das Gewicht und den Energieverbrauch von Atomuhren deutlich reduzieren kann. „Wir planen, nur das Volumen des physischen Kerns zu nutzen, der bereits in der existierenden Chip Scale Atomic Clock (CSAC) vorhanden ist, aber ohne die komplexen umgebenden elektronischen Komponenten“, erklärt er.

Die DARPA hat zugesagt, das Projekt zunächst für zwei Jahre zu finanzieren, mit der Option auf weitere Unterstützung, wenn Yuan-Yu und sein Team die vorgegebenen Größen- und Leistungskriterien erfüllen.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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