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Lutetium-Atomuhr setzt neuen Genauigkeitsrekord
Zeitmessung am Limit: Forscher in Singapur haben zwei optische Atomuhren aus einzelnen Lutetium-Ionen gebaut, deren systematische relative Unsicherheit nur rund 1 × 10⁻¹⁹ beträgt. Im direkten Vergleich stimmten die unabhängigen Systeme nach 200 Messstunden bis auf 5,7 × 10⁻¹⁹ überein. Damit liegt die ausgewertete Unsicherheit viermal niedriger als bei den bisherigen Rekordwerten.
Singapur (Singapur). Atomuhren bestimmen die Sekunde, indem sie eine extrem regelmäßige atomare Übergangsfrequenz als Taktgeber nutzen. Besonders genau sind optische Atomuhren, deren Übergänge mit Laserlicht abgefragt werden. Doch je kleiner ihre Unsicherheit wird, desto schwieriger ist es zu zeigen, dass die berechnete Genauigkeit auch tatsächlich reproduzierbar ist.
Genau dieser Nachweis wird bei Unsicherheiten unter 10⁻¹⁸ zum Problem. Selbst winzige Einflüsse von Temperatur, Magnetfeldern, Bewegung und Schwerkraft können dann die Frequenz messbar verschieben. Deshalb reicht es nicht, mögliche Störquellen nur zu berechnen: Unabhängige Uhren desselben Typs sollten im direkten Vergleich auch tatsächlich übereinstimmen.
Forscher der National University of Singapore (NUS) um Dr. Kyle Arnold haben nun zwei voneinander unabhängige optische Frequenzreferenzen aus jeweils einem einzelnen geladenen Lutetium-176-Ion aufgebaut. Beide arbeiten mit einem optischen Übergang bei 848 Nanometern. Ihre jeweils ausgewertete systematische relative Unsicherheit liegt bei 1,2 × 10⁻¹⁹ beziehungsweise 1,3 × 10⁻¹⁹ und damit rund viermal unter dem niedrigsten zuvor berichteten Wert.
Für den entscheidenden Vergleich nutzte das Team die Korrelationsspektroskopie. Dabei werden beide Ionen mit demselben Laser abgefragt, sodass gemeinsames Phasenrauschen des Lasers weitgehend aus dem Vergleich herausfällt. Elf Messreihen über insgesamt 200 Stunden ergaben eine relative Frequenzdifferenz von −0,1 × 10⁻¹⁹. Die statistische Unsicherheit des Vergleichs betrug 5,7 × 10⁻¹⁹, die systematische Unsicherheit 1,0 × 10⁻¹⁹. Eine signifikante Abweichung zwischen den beiden Uhren zeigte sich damit nicht.
„Es gibt einen humorvollen Spruch: ‚Ein Mann mit einer Uhr weiß, wie spät es ist. Ein Mann mit zwei Uhren ist sich nie sicher.‘ Im Grunde sagt er, dass die einzige Möglichkeit, die Genauigkeit eines Standards zu testen, darin besteht, Uhren zu vergleichen und Reproduzierbarkeit nachzuweisen“, erklärt Dr. Kyle Arnold.
Der Rekord beruht vor allem auf den Eigenschaften des verwendeten Lutetium-Übergangs. Er reagiert im Vergleich zu anderen etablierten Uhrsystemen besonders schwach auf Schwarzkörperstrahlung und Magnetfelder. Die hohe Masse des Lutetium-Ions verringert zudem bewegungsbedingte Frequenzverschiebungen. Dadurch erreichen die beiden Systeme ihre geringe Unsicherheit bei Raumtemperatur in vergleichsweise einfachen linearen Paulfallen und ohne magnetische Abschirmung.
Der größte systematische Beitrag stammt zwar weiterhin von der quadratischen Zeeman-Verschiebung durch Magnetfelder. Die Forscher haben deren Stärke jedoch mehrfach vermessen und gezielt einem Belastungstest unterzogen. Für die einzelnen Uhren begrenzt außerdem die Schwarzkörperstrahlung die Unsicherheit. Im direkten Vergleich sind diese bekannten Effekte klein genug, dass sie die beobachtete Übereinstimmung nicht erklären oder verdecken können.
„Die guten Eigenschaften bedeuten, dass sich eine hohe Genauigkeit selbst in einem breiten Spektrum von Umgebungen erreichen lässt. Die Lutetium-Uhr wäre sogar stabil, wenn man vom heißesten jemals auf der Erde gemessenen Ort im Death Valley zum kältesten Ort auf dem antarktischen Plateau wechseln würde“, sagt Associate Professor Murray Barrett vom Centre for Quantum Technologies (CQT).
Bei einer Genauigkeit dieser Größenordnung wird selbst Einsteins gravitative Zeitdilatation zum praktischen Messfaktor. Schon Höhenunterschiede von wenigen Millimetern verändern die Taktfrequenz messbar. Das Team musste deshalb sogar die Höhendifferenz der beiden Ionen auf dem gemeinsamen Lab