Optische Atomuhren gehören zu den präzisesten je gebauten Messinstrumenten. Präzise Uhren sind essenziell für die moderne Zeitmessung – unter anderem für Navigation, Telekommunikation oder die Industrie, beispielsweise zur Synchronisation von Prozessen in automatisierten Produktionsanlagen. Zudem sind sie ein wichtiges Instrument für die Grundlagenforschung zu unserem physikalischen Weltbild.
Zeit wird durch Taktung gemessen. Beispielsweise schwingt das Pendel einer Pendeluhr einmal pro Sekunde, daher kann man den Takt bis auf eine Sekunde genau angeben. Bei einer Atomuhr schwingt kein Pendel, hier werden Übergänge zwischen verschiedenen Energiezuständen von Atomen als Taktgeber genutzt. Klassische Atomuhren nutzen Übergänge im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums. Ein Beispiel für eine solche klassische Atomuhr ist die Cäsium-Atomuhr, deren Frequenz ca. 9 x 10^8-Hz ist. Auf eine Pendeluhr übertragen würde das bedeuten, dass das Pendel 9 x 10^8 (also 900.000.000)-mal pro Sekunde schwingt.
Zudem gibt es inzwischen auch optische Atomuhren. Sie nutzen Übergänge im sogenannten optischen Bereich (dem Frequenzbereich, in dem sich auch das vom menschlichen Auge sichtbare Licht befindet), welche um einige Größenordnungen häufiger schwingen. Man kann daher mit optischen Atomuhren die Zeit ebenfalls um Größenordnungen genauer messen. Je nach verwendeter Technologie und Atomart lassen sich damit Genauigkeiten von 10^-15 bis 10^-18 erreichen, d.h. eine Abweichung von 1 Sekunde würde sich erst nach einigen Millionen bis mehreren Milliarden Jahren bemerkbar machen.
Der Einsatz von solchen hochpräzisen Uhren im Weltall ist unter anderem für die nächste Generation des europäischen Navigationssystems Galileo geplant. So wird die alltägliche Navigation per Auto, Schiff oder Flugzeug noch präziser. Darüber hinaus bieten Messungen unter Schwerelosigkeit einzigartige Möglichkeiten, fundamentale physikalische Theorien, wie beispielsweise die allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Der Einsatz im Weltall bringt aber auch besondere Herausforderungen mit sich: Stark schwankende und extreme Temperaturen, erhöhte Strahlung und die starken Beschleunigungen und Vibrationen beim Start stellen spezielle Anforderungen an die optische Atomuhr.
Neuentwicklungen von Atomuhren
Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR fördert die Entwicklung weltraumtauglicher optischer Atomuhren. Die derzeit verfolgten technologischen Ansätze unterscheiden sich in der erreichbaren Präzision und Stabilität, aber auch in der Kompaktheit und Komplexität. Daher sind sie auch unterschiedlich gut für verschiedene Anwendungen wie Satellitennavigation oder Fundamentalphysik geeignet. Manche Uhrentypen haben aufgrund ihrer komplexen Bauweise eine lange Entwicklungszeit und werden voraussichtlich erst in den 2030er Jahren einsetzbar sein. Für alle optischen Weltraumuhren werden kompakte und weltraumtaugliche Schlüsselkomponenten wie beispielsweise Laser und Frequenzkämme, also Messgeräte für die Schwingungszahl, benötigt.
Ultrahochvakuumkammer mit 3D-Atomfalle der Strontium-Gitteruhr
Gitteruhren sind optische Atomuhren der nächsten Generation. Hierbei werden die Atome zwischen sich überlagernden Laserstrahlen, einem Gitter gleich, festgehalten. Sie sind dadurch sehr gut lokalisierbar und die Anzahl der Schwingungen lässt sich daher sehr genau zählen. Diese Technologie zeigt auf der Erde bereits eine extrem hohe Genauigkeit der Zeitmessung und ist somit insbesondere für die Grundlagenforschung im Weltraum interessant.
Credit:
Ferdinand-Braun-Institut
Im Projekt CRONOS (Compact Rubidium Oscillator for Navigation satellite systems Onboard a Satellite) wird derzeit vom Ferdinand-Braun-Institut in Berlin eine sehr kompakte optische Uhr auf der Basis von Zwei-Photonen-Spektroskopie an Rubidium-Atomen für den Einsatz auf einem Kleinsatelliten entwickelt. Diese soll dann bereits 2028 im Orbit getestet und für den Einsatz im Weltraum qualifiziert werden.
Mit dem PHOENYX-Projekt (PHysics package for in-Orbit Evaluation of clock components on NYX) haben sich die Verbundpartner Humboldt-Universität zu Berlin, das Ferdinand-Braun-Institut Berlin und das Unternehmen Menlo Systems GmbH zum Ziel gesetzt, eine robuste optische Uhr auf Basis der Atominterferometrie zu entwickeln. Hier sollen statt Rubidium-Atomen aber Strontium-Atome in einem heißen Atomstrahl genutzt werden. Zentrale Komponenten dieses Systems sollen in einem ersten Schritt bereits 2028 im Weltall auf Tauglichkeit getestet werden.
Gleichzeitig werden erste Laborentwicklungen für eine optische Uhr der nächsten Generation vorangetrieben (SOLIS, Strontium Optical Lattice clock in Space). Dabei handelt es sich um eine integrierte strontiumbasierte Gitteruhr. Bei einer sogenannten Gitteruhr werden die zuvor gekühlten Atome im Interferenzmuster sich überlagernder Laserstrahlen festgehalten. Dieses Interferenzmuster wird auch optisches Gitter genannt. Die Atome sind dadurch sehr gut lokalisierbar und die Anzahl der Schwingungen lässt sich daher sehr genau zählen. Diese Technologie zeigt auf der Erde bereits eine extrem hohe Genauigkeit der Zeitmessung und ist somit insbesondere für die Grundlagenforschung im Weltraum interessant.
3D-Modell des Ultrahochvakuum-Systems der Strontium-Gitteruhr
Gitteruhren sind optische Atomuhren der nächsten Generation. Das Modell zeigt den Aufbau der Strontium-Gitteruhr. In der Quelle im Hintergrund werden Strontiumatome abgestrahlt und anschließend durch die Vakuumpumpe angezogen. Laserstrahlen kühlen die Atome auf ihrem Weg herunter. In der sogenannen Atomfalle im Vordergrund werden die Atome im Lasergitter festgehalten und ihre Schwingungen gezählt.
Bild: 1/2, Credit:
Ferdinand-Braun-Institut
Das geöffnete Spektroskopiemodul für die optische Atomuhr CRONOS
Das Spektroskopiemodul ermöglicht die hochpräzise Stabilisierung der Frequenz eines Lasers auf einen optischen Übergang in Rubidium und dient damit als Taktgeber für die optische Atomuhr CRONOS. Das Modul enthält die Strahlführung des Spektroskopielaserlichts, eine geheizte Rubidiumdampfzelle mit Magnetfeldabschirmung (im Bild hinten links) und die Fluoreszenzdetektion mittels Silizium-Photomultiplier sowie das elektronische Interface zum Auslesen des Spektroskopiesignals.
