Atomuhr

Eine Atomuhr ist eine Uhr, deren Zeittakt aus den Strahlungsübergängen der Elektronen freier Atome abgeleitet wird. Da die Strahlungsfrequenz dieser Übergänge konstant ist, sind Atomuhren die bislang genauesten Uhren. Die Hyperfeinstruktur-Strahlungsfrequenz des ¹³³Cäsiums definiert seit 1967 im internationalen Einheitensystem die Zeitdauer einer Sekunde.

Aus den Messwerten von über 260 Atomuhren an über 60 weltweit verteilten Instituten legt das „Bureau International des Poids et Mesures“ (BIPM) in Paris (Frankreich) die „Internationale Atomzeit“ (TAI) als Referenzzeit fest.

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Funktionsweise einer Atomuhr

  In Atomuhren nutzt man die Energieunterschiede zwischen den Zuständen der Hyperfeinstruktur.

Hauptbestandteil einer Atomuhr ist ein Mikrowellen-Resonator, in dem die Übergänge zwischen zwei Hyperfeinstrukturkomponenten ( beim Caesium-Atom) induziert werden, und eine Referenzuhr.
Weicht die durch die Referenzuhr erzeugte Einstrahlungs-Quantenenergie Δν = ΔE / h bzw. Frequenz von der des Übergangs ab, wird die verminderte Absorption des Mikrowellenresonators detektiert und die Referenzuhr wird nachgeregelt.
Als Referenzuhr dient meist eine temperaturkompensierte Quarzuhr.

Entwicklungen

Cäsium, Rubidium und Wasserstoff sind die gängigsten Atome mit denen Atomuhren betrieben werden. Die Tabelle stellt ihre Eigenschaften gegenüber. Zum Vergleich sind die Werte für eine temperaturkompensierte Quarzuhr mit aufgenommen.

Die besten Atomuhren basieren zur Zeit auf Cs-Atomen, welche eine relative Standardabweichung (Ungenauigkeit) von nur ca. 10⁻¹³ aufweisen. Das entspricht einer Abweichung von einer Sekunde in ca. 300.000 Jahren.

Wasserstoff-Maser sind ebenfalls hochgenau, aber schwieriger zu betreiben. Rb-Uhren sind sehr kompakt und wiegen nur wenige Kilogramm.

Hochpräzise Atomuhren

In neueren Atomuhren arbeitet man mit thermisch abgebremsten Atomen, um die Genauigkeit zu erhöhen. In der „Cäsium-Fontäne“ werden Cäsiumatome dazu stark abgekühlt, so dass sie nur noch etwa einen Zentimeter pro Sekunde schnell sind. 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 relative Standardabweichung einer Cäsium-Fontäne liegt bei nur etwa 10⁻¹⁵ – dies entspricht einer Sekunde Abweichung in ca. 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 zurzeit 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 Oktupol-Übergang) stabilisiert. Die technische Herausforderung dabei ist es, die hochstabile Laserfrequenz auf elektronisch messbare (zählbare) Frequenzen herunter zu dividieren. Hierzu wurde am Max-Planck-Institut für Quantenoptik der sogenannte Frequenzkamm entwickelt.

Auf dem erreichten Präzisionsniveau wird einen Vielzahl von Effekten sichtbar, die die beobachtete Frequenz beeinflussen. Dazu gehören z. B. der Zeeman-Effekt, Stoß-Wechselwirkung zwischen den Atomen, der AC-Stark-Effekt oder die Gravitationsrotverschiebung. Dies ist auch der Grund, weshalb die internationale Zeit aus dem Mittelwert vieler Uhren an unterschiedlichen Standorten gebildet werden muss.

Kleinformatige Atomuhren für die praktische Anwendung

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. Satellitennavigationssysteme 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 relative Standardabweichung von ca. 3·10⁻¹². Das entspricht einer Abweichung von einer Sekunde in 10.000 Jahren. 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.)

Einsatz von Atomuhren

In Deutschland sind mehrere Atomuhren bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig in Betrieb, darunter auch eine „Cäsium-Fontäne“ im Regelbetrieb.

In der Schweiz betreibt das Labor für Zeit und Frequenz des METAS mehrere Atomuhren, mit der die schweizerische Atomzeit TAI(CH) geführt und die schweizerische Weltzeit UTC(CH) errechnet wird. Diese Zeit können Funkuhren über den Zeitzeichensender HBG beziehungsweise Computer über das NTP (ntp.metas.ch) empfangen.

Anwendungsgebiete

Atomuhren dienen zum einen der exakten Zeitmessung von Abläufen, zum anderen der genauen Zeitbestimmung und der Koordinierung verschiedener Zeitsysteme und -skalen. So entsteht etwa durch Abgleich der international bestimmten Atomzeit (TAI) mit der astronomischen Zeit (UT1) die Koordinierte Weltzeit (UTC).

In Mitteleuropa erhalten Funkuhren über den in Deutschland stationierten Sender DCF77 oder den in der Schweiz stationierten Sender HBG ihr Signal. Das britische Pendant ist der Sender MSF60.

Der deutsche Sender DCF77 wird von der PTB Braunschweig betreut, befindet sich aber aufgrund günstiger Abstrahlungsbedingungen zusammen mit den takterzeugenden Atomuhren in Mainflingen bei Frankfurt am Main.

Verschiedentlich greifen Ampelschaltungen auf die Atomuhr-Funksignale als Zeitgeber zurück.

Im Internet werden die Zeitimpulse zahlreicher Atomuhren mittels Network Time Protocol (NTP) zur Verfügung gestellt.

Ein Rubidium-Oszillator, wie er auch in Atomuhren verwendet wird, dient in Donebach zur Erzeugung der Trägerfrequenz des dort befindlichen Langwellen-Rundfunksenders Donebach.

Ebenfalls werden Atomuhren in den GPS-Satelliten zur genauen Laufzeitmessung zum GPS-Empfänger verwendet.