Die neue optische Atomuhr geht so präzise, dass sie sogar Höhenunterschiede von wenigen Millimetern erkennen kann. Auch in Österreich wird an solchen Superuhren geforscht
Nun hat ein Forschungsteam am Centre for Quantum Technologies der National University of Singapore einen neuen Rekord aufgestellt.
Die Uhr basiert auf dem seltenen Element Lutetium und erreicht eine Messunsicherheit von lediglich einem Zehntel Trillionstel einer Sekunde pro Sekunde – mathematisch ausgedrückt: 1 × 10–19, beziehungsweise 0,0000000000000000001.
Würde eine solche Uhr seit dem Urknall vor rund 13,8 Milliarden Jahren laufen, ginge sie bis heute nur den winzigen Bruchteil einer Sekunde falsch.
Das Herzstück der Singapurer Uhr besteht aus einem einzigen positiv geladenen Lutetium-Ion. Ein Laser mit einer Wellenlänge von 848 Nanometern wird exakt auf einen speziellen Elektronenübergang abgestimmt. Jede Schwingung des Laserlichts dient dabei als winziger Zeittakt.
Der entscheidende Vorteil von Lutetium liegt in seiner Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen. Temperaturänderungen oder Magnetfelder verändern die Frequenz des sogenannten Uhrübergangs deutlich weniger als bei vielen anderen Elementen.
„Die guten Eigenschaften bedeuten, dass hohe Genauigkeit auch unter sehr unterschiedlichen Umweltbedingungen erreichbar ist“, erklärt Projektleiter Murray Barrett in einer Presseaussendung seiner Universität. Nach seinen Berechnungen würde die Uhr sogar dann praktisch unverändert weiterlaufen, wenn man sie vom heißesten jemals gemessenen Ort im kalifornischen Death Valley direkt auf das antarktische Hochplateau transportierte.
Ein Höhenunterschied von nur fünf Millimetern genügte bereits, um den Einfluss der Schwerkraft auf den Zeitablauf messbar zu machen. Nach Einsteins Theorie vergeht Zeit in stärkeren Gravitationsfeldern geringfügig langsamer als in schwächeren. Was lange Zeit eine theoretische Kuriosität war, wird mit modernen Atomuhren zunehmend zu einem praktischen Messinstrument.
Genau hier sehen viele Forschende die Zukunft solcher Systeme. Die Grundidee klingt fast paradox: Statt Entfernungen direkt zu messen, misst man Zeit. Weil die Gravitation den Zeitablauf beeinflusst, können hochpräzise Uhren Informationen über Höhenunterschiede und Massenverteilungen liefern. Fachleute sprechen bereits von „relativistischer Geodäsie“.
Hochpräzise Atomuhren könnten künftig als Sensoren dienen, um Veränderungen des Gravitationsfeldes zu messen. Damit ließen sich Bewegungen von Grundwasser, tektonische Prozesse oder sogar vulkanische Aktivitäten beobachten.