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Eine neu entwickelte Atomuhr auf Basis des Schwermetalls Lutetium erreicht eine bislang unerreichte Präzision: Erst nach rund 55 Milliarden Jahren würde sie um eine einzige Sekunde abweichen. Zum Vergleich: Das Universum ist nach heutiger Schätzung etwa 13,8 Milliarden Jahre alt. Nach Angaben des Forschungsteams der Universität Singapur ist das System damit ungefähr zehnmal präziser als die bisher besten Atomuhren. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature veröffentlicht.
Schon heute sind Atomuhren aus dem Alltag moderner Technik nicht wegzudenken. Sie sind unter anderem die Grundlage für Satellitennavigation, da bereits winzige Zeitfehler von einer Mikrosekunde Positionsabweichungen von mehreren hundert Metern verursachen können. Auch Internetdienste, Börsenhandel und Stromnetze sind auf exakt synchronisierte Zeitmessung angewiesen.
Wie Atomuhren arbeiten
Im Kern besonders genauer Atomuhren befindet sich meist ein Ion, also ein elektrisch geladenes Atom. Dieses wird mithilfe elektrischer Felder in einer Vakuumkammer festgehalten und mit einem Laser angeregt. Trifft der Laser genau die passende Energie, springt ein Elektron im Ion auf ein höheres Energieniveau. Ein zweiter Laser kontrolliert, ob dieser Übergang stattgefunden hat. Falls nicht, wird der erste Laser automatisch nachgeregelt. Auf diese Weise bleibt seine Frequenz extrem stabil.
Diese stabile Strahlung dient gewissermaßen als Taktgeber der Uhr. Zeit wird über die Zahl der Schwingungen pro Sekunde bestimmt. Bei einer klassischen Cäsium-Atomuhr sind das 9.192.631.770 Schwingungen je Sekunde. Grundsätzlich gilt: Je höher die Frequenz, desto genauer lässt sich Zeit bestimmen.
Warum die Lutetium-Uhr herausragt
Die neue Uhr nutzt eine Laserfrequenz von 353,6 Billionen Schwingungen pro Sekunde. Zudem reagiert sie deutlich weniger empfindlich auf Temperaturschwankungen und Magnetfelder als viele andere Atomuhren.
Der Physiker Murray Barrett von der Universität Singapur erklärt, die Uhr würde sogar stabil bleiben, wenn man sie vom extrem heißen Death Valley an einen der kältesten Orte des antarktischen Hochplateaus transportieren würde.
Neue Möglichkeiten durch extreme Genauigkeit
Um die Präzision des Systems zu testen, stellten die Forscher zwei Lutetium-Uhren direkt nebeneinander auf und verglichen ihre Messwerte. Dabei zeigte sich ein überraschender Effekt: Die Uhren sind so empfindlich, dass sie bereits auf geringste Höhenunterschiede reagieren.
Der Hintergrund liegt in Einsteins Relativitätstheorie. Demnach vergeht Zeit abhängig von der Schwerkraft unterschiedlich schnell. Weil die Erdanziehung mit zunehmender Höhe schwächer wird, laufen Uhren in größerer Höhe etwas schneller. Bei einem geostationären Satelliten summiert sich dieser Unterschied auf etwa 50 Mikrosekunden pro Tag.
Bei den neuen Lutetium-Uhren war laut Forschern bereits ein Höhenunterschied von fünf Millimetern messbar und musste entsprechend korrigiert werden. Genau darin sehen die Wissenschaftler aber auch großes Potenzial: Da die Schwerkraft nicht nur von der Höhe, sondern auch von der Verteilung der Masse im Erdinneren abhängt, könnten solche Uhren künftig etwa Veränderungen in Magmakammern unter Vulkanen erfassen oder bei der Erkundung von Rohstoffvorkommen helfen.
Noch ist die Technik allerdings zu groß und zu aufwendig für den praktischen Einsatz vor Ort. Das Team arbeitet deshalb daran, die Anlage zu verkleinern und eine transportable Lutetium-Uhr zu entwickeln.
Quelle: dpa/bearbeitet durch Julian Weber
