Neue Bestmarke: Lutetium-Atomuhr bricht Genauigkeitsrekord

Die Definition der Sekunde könnte sich in den kommenden Jahren ändern. Seit den sechziger Jahren orientiert sich die Weltzeit an Caesium-Atomuhren, doch optische Atomuhren aus anderen Elementen ticken inzwischen deutlich präziser. Ein Team des Centre for Quantum Technologies (CQT) der National University of Singapore hat nun eine Atomuhr auf Basis von Lutetium vorgestellt, die nach eigenen Angaben alle bisherigen Rekordhalter übertrifft. Die Ergebnisse sind am 23. September in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Ein schweres Element mit ruhigem Verhalten

Atomuhren nutzen den Übergang eines Elektrons zwischen zwei Energiezuständen als Taktgeber, ähnlich dem Pendel einer mechanischen Uhr. Lutetium sitzt am Ende der Reihe der seltenen Erden und reagiert kaum auf Temperaturschwankungen oder Magnetfelder. Genau diese Störfaktoren verschieben bei anderen Elementen die Taktfrequenz. Das Team um Associate Professor Murray Barrett arbeitet seit über zehn Jahren mit dem Element, obwohl es zu den am wenigsten erforschten unter den seltenen Erden zählt. Ein einzelnes, elektrisch geladenes Lutetium-Ion (176Lu+) dient als Taktgeber, gekoppelt an einen Laser mit einer Wellenlänge von 848 Nanometern.

Zwei Uhren, ein Vergleich

Die Forscher:innen bestimmten die Frequenz ihrer Uhr auf 19 Nachkommastellen genau und erreichten eine systematische Unsicherheit von 1 x 10^-19, den niedrigsten je gemessenen Wert für eine optische Atomuhr. Anschließend bauten sie eine zweite, baugleiche Uhr und verglichen beide über 200 Stunden per Korrelationsspektroskopie. Die beiden Uhren stimmten mit einer Unsicherheit von 5,7 x 10^-19 überein, dem präzisesten Uhrenvergleich, der bisher gelungen ist. Bei dieser Genauigkeit macht sich bereits die von Albert Einstein beschriebene Zeitdilatation durch die Schwerkraft bemerkbar: Ein Höhenunterschied von nur fünf Millimetern zwischen den Uhren lässt sich messen. Das Team musste die tatsächliche Höhendifferenz der Ionen deshalb unterhalb eines Millimeters exakt bestimmen, um das Ergebnis nicht zu verfälschen.

Wettlauf um die genaueste Uhr der Welt

Anfang des Jahres erreichte ein Team der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mit einer Calcium-Ionen-Uhr eine Unsicherheit von 4,4 x 10^-19. Barrett zeigt sich von der Überlegenheit seines Ansatzes überzeugt: „In Zukunft sehe ich nicht, wie diese Uhr geschlagen werden kann.“ Als Nächstes will das Team die Laboraufbauten verkleinern und ein transportables System entwickeln, wie Doktorand Michael Lee erklärt. Eine mobile Version könnte künftig Vergleiche zwischen weit entfernten Standorten ermöglichen und dabei helfen, Schwerkraftschwankungen auf der Erde zu kartieren. Solche Präzisionsmessungen gelten zudem als Werkzeug, um Widersprüche zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik experimentell zu untersuchen. Die internationale Zeitmess-Gemeinschaft berät bereits über eine Neudefinition der Sekunde, die frühestens ab 2030 in Kraft treten könnte und sich künftig an optischen Atomuhren wie dieser orientieren dürfte.

via National University of Singapore