Faszination Technik 100.000-mal genauere Zeitbestimmung durch optische Atomuhren

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: die optische Atomuhr als neuer Impuls für die Wissenschaft.

Eine neue Generation von optischen Atomuhren könnte die Forschung in verschiedenen Bereichen ankurbeln, doch die benötigten Aufbauten dafür sind noch viel zu groß. Ein Forschungskonsortium hat es sich deshalb gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM zur Aufgabe gemacht, eine Miniaturisierung der neuen Systeme zu entwickeln.

Atomuhren gelten derzeit als die genauesten Zeitmesser der Welt. Der Zeittakt ergibt sich aus der Messung der atomaren Resonanz im Cäsium-Atom bei Mikrowellenstrahlung, so die Forscher. Die neue Generation misst dagegen elektronische Schwingungen im sichtbaren optischen statt im Mikrowellenbereich und soll dadurch eine 100.000-fache höhere Genauigkeit erreichen. So könnte etwa der Bruchteil einer Sekunde bis zur 19. Nachkommastelle vermessen werden.

Anwendungen für Forschung und Gesellschaft

Für die Miniaturisierung will das Konsortium sich vor allem auf den Laser konzentrieren. Er ermöglicht das Messen von Schwingungen in Atomen. Damit die Schwingungen überhaupt ausgezählt werden können, müssen die sich schnell und unkoordiniert bewegenden Atome zuerst gefangen und zum Bremsen ihrer Bewegungsgeschwindigkeit auf Temperaturen um den absoluten Nullpunkt herunter gekühlt werden, so die Forscher. Diese Voraussetzung macht das Gesamtsystem sehr groß.

Die Wissenschaftler versprechen sich von einer optischen Atomuhr vielfältige Anwendungen für Forschung und Gesellschaft. Durch die verbesserte Genauigkeit könnten etwa die Werte von Naturkonstanten überprüft werden. Außerdem könnten die Forscher mit ihr Änderungen im Gravitationsfeld vermessen und so eine Gravitationskarte der Erde erstellen. Mit ihr könnte die Bewegung tektonischer Platten prognostiziert oder Öl- und Mineralfelder ausgemacht werden. Als hochgenaue Sensoren sind die Uhren insofern auch für die Klimaforschung relevant, als dass sie beispielsweise die Änderungen und Bewegungen des Meeresspiegels aufnehmen, heißt es weiter.

Präzisere Standortbestimmung

Auch satellitengestütztes GPS würde von der neuen Generation profitieren. Sie sind bereits mit miniaturisierten mikrowellenbasierten Atomuhren ausgestattet und würden mit einer optischen Atomuhr die Position um das Hundertfache präziser bestimmen können. Das autonome Fahren könnte dadurch deutlich verbessert werden.

„Die Optik steht vor einem großen Durchbruch: Noch sind die Aufbauten groß und sensibel. Wenn die einzelnen Komponenten jedoch miniaturisiert und zuverlässig werden, können die Quantentechnologien mit ultrakalten Atomen in Form von transportablen und praxistauglichen Systemen realisiert werden“, sagt Wojciech Lewoczko-Adamczyk vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM. „Unsere Aufgabe ist es dabei, die Chips mit photonischen Leitern zu entwickeln. Zu diesem Zweck passen wir die optischen Leitungen an die relevanten Wellenlängen von Atomuhren an und integrieren selektive Filter, die die Laser dazu bringen, mit einer bestimmten und sehr schmalen Wellenlänge zu leuchten.“

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