Atomuhr

Eine Atomuhr ist eine Uhr, deren Zeittakt (meist ein Mikrowellensignal) mit atomaren Schwingungszuständen abgeglichen wird. Da die Frequenz solcher Schwingungen konstant ist und sehr genau bestimmt werden kann, sind Atomuhren die bislang genauesten gebauten Uhren. Aus den Messwerten von über 260 Atomuhren von über 60 weltweit verteilten Instituten legt das "Bureau International des Poids et Mesure" (BIPM) in Paris die "Internationale Atom Zeit" (TAI) als Referenzzeit fest.

Funktionsweise einer Atomuhr

Als atomarer Übergang wird häufig der Hyperfeinstruktur-Übergang F=4, m_F=0 → F=3, m_F=0 des ²S_1/2-Grundzustandes eines ¹³³Cäsium-Atomes verwendet. Dieser Übergang hat eine Frequenz von 9,192631770 GHz. 1967 wurde die SI-Einheit Sekunde über diesen Wert festgelegt.

Solange die Temperatur des Cäsiums nicht extrem niedrig ist (in der Größenordnung 1mK), sind beide Zustände etwa gleich besetzt. Um den Übergang messen zu können, muss einer der Zustände selektiert werden. Das geschieht entweder dadurch, dass man einen Atomstrahl durch ein starkes, inhomogenes Magnetfeld schickt, oder durch optisches Pumpen mit Laserlicht.

Der zweite Hauptbestandteil einer Atomuhr ist ein Mikrowellenresonator, in dem Übergänge zwischen den beiden Zuständen stattfinden können. Nach der Wechselwirkung mit dem Mikrowellenfeld wird schließlich die Besetzung des anfangs ausselektierten Zustands gemessen. Wenn die Frequenz des Mikrowellenresonators mit der Frequnez des Übergangs übereinstimmt, erhält man ein Signal-Maximum.

In neueren Atomuhren arbeitet man mit langsameren Cäsium-Atomen, um die Genauigkeit zu erhöhen. In der "Cäsium-Fontäne" werden Cäsiumatome zunächst stark abgekühlt, so dass sie nur noch etwa einen Zentimeter pro Sekunde schnell sind. (Im thermischen Atomstrahl sind es etwa 100 Meter pro Sekunde.) Die langsamen Atome werden dann mit einem Laser nach oben beschleunigt und durchlaufen eine ballistische Flugbahn (deswegen der Ausdruck Cäsium-Fontäne), hierdurch kann die effektive Wechselwirkungsdauer der Atome mit den eingestrahlten Mikrowellen verlängert werden, was eine exaktere Frequenzbestimmung erlaubt. Die Gangunsicherheit einer herkömmlichen Atomuhr beträgt etwa 1·10^-14 (1 Sekunde Abweichung in 3 Millionen Jahren), die einer Cäsium-Fontäne liegt nur bei etwa 1·10^-15 (1 Sekunde Abweichung in 30 Millionen Jahren).

Neben Cäsium werden auch Rubidium, Wasserstoff und andere Atome oder Moleküle für Atomuhren verwendet.

Um größere Genauigkeiten zu erreichen, was erstrebenswert ist, um physikalische Experimente genauer durchführen zu können, werden zur Zeit Experimente mit Elementen gemacht, die geeignete Übergänge bei optischen Wellenlängen haben. Hierdurch erreicht man Frequenzen von hunderten Terahertz an Stelle der herkömmlichen 9 GHz. In diesen Experimenten werden einzelne Ionen in einer Paul-Falle gespeichert und ein Laser wird auf einen schmalbandigen Übergang (meist ein Quadrupol- oder Oktupolübergang) stabilisiert. Die technische Herausforderung dabei ist es, die hochstabile Laserfrequenz auf elektronisch messbare Frequenzen herunterzudividieren. Hierzu wurde am Max-Planck-Institut für Quantenoptik ein Verfahren entwickelt.

Eine andere Entwicklungslinie neben den hochpräzisen Uhren verfolgt den Bau preiswerterer, kleinerer, leichterer und energiesparenderer Uhren, z.B. für den Einsatz in Satelliten, Raketen oder Drohnen. Satellitennavigationssyteme wie GPS, GLONASS oder (zukünftig) Galileo benutzen Atomuhren in ihren Satelliten, um durch ihre hochgenaue Zeit die Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen. Im Jahr 2003 ist es gelungen, eine Rubidiumatomuhr zu bauen, die nur ein Volumen von 40 cm³ einnimmt und eine Leistung von einem Watt verbraucht. Dabei erreicht sie eine Gangunsicherheit von ca. 3·10^-12. Das entspricht einer Abweichung von einer Sekunde in 10.000 Jahren, und damit ist die Uhr zwar deutlich ungenauer als die großen stationären Atomuhren, aber erheblich genauer als eine Quarzuhr. (Genaue Quarzuhren haben eine Abweichung von einer Sekunde in einem Monat, verglichen mit diesen ist diese kleine Atomuhr 120.000 mal genauer.) Bei Atomuhren in Satelliten müssen fünf relativistische Effekte berücksichtigt werden, die eine Gangdifferenz zu den erdgebundenen Atomuhren verursachen.

In Deutschland sind mehrere Atomuhren bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig in Betrieb, darunter auch eine Cäsium-Fontäne im Regelbetrieb. Von dort erhalten in Mitteleuropa alle Funkuhren, über den Sender DCF77 ihr Signal. Das britische Pendant zu DCF77 ist der Sender MSF60. Mittels Network Time Protocol (NTP) werden die Zeitimpulse zahlreicher Atomuhren auch im Internet zur Verfügung gestellt.

Geschichte

• 1930er Isidor Isaac Rabi, Chemiker und Physiker forscht an der Columbia University, USA an den magnetischen Eigenschaften der Kristalle.
• 1944 I.I. Rabi (USA) bekommt den Nobelpreis für Physik "für die von ihm zur Aufzeichnung der magnetischen Eigenschaften von Atomkernen entdeckte Resonanzmethode"
• 1945 I.I. Rabi, Physikprofessor an der Columbia University in der USA schlägt eine Uhr vor, die diese Resonanzmethode nutzt.
• 1946 Willard Frank Libby stellt eine Atomuhr auf der Basis von Cäsium-Atomen vor.
• 1949 Die erste Atomuhr wird mit Rabis Technik durch das National Institute of Standards and Technology, (NIST) in den USA gebaut und verwendet Ammoniak-Moleküle als Schwingungsquelle.
• 1955 Die erste Cäsium-basierte Atomuhr wird vom National Laboratorium in Teddington, England in Betrieb genommen.
• 1958 Die ersten kommerziellen Cäsium-Atomuhren kommen zum Preis von US-$20,000 auf den Markt.
• Oktober 1967 Die Sekunde wird international über das Cäsiumnormal durch die 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) definiert.
• 1969 An der PTB in Deutschland wird die erste Atomuhr, CS1 (Caesium-Eins), in Betrieb genommen.
• Oktober 1971 Die Notwendigkeit der Definition einer "International Atomic Time" TAI als Referenz wird durch die 14. Generalkonferenz für Maß und Gewicht festgestellt. Die TAI wird durch das BIPM in Paris verwaltet und tritt am 1. Januar 1972 in Kraft.
• Juli 1974 Der erste Satellit hat eine Atomuhr an Bord, es ist der dritte Satellit des Timation (Time Navigation) Projektes des Naval Center for Space des Naval Research Laboratory, (NRL) in der USA und wird geleitet vom Roger Easton. Dies ist ein Vorläuferprojekt des GPS-Projektes.
• 22.02.1978 Der erste Navstar/GPS-Satellit wird mit einer "Atlas F"-Rakete von der USA gestartet.
• 12. Oktober 1982 - Der erste GLONASS Satellit wird von der UdSSR gestartet.
• 1999 Eine Atomuhr der neuesten Generation (Cäsium-Fontäne) wird an der PTB in Betrieb genommen.

Weblinks

• Atomuhr 1 - Satellit
• Atomuhr 2 - Selbstbau
• Atomuhr 3 - NIST
• Atomuhr 4 Global Navigation
• Arbeitsgruppe Zeitnormale - PTB
• Methode zur Frequenzmessung mit Laser