Faszination Technik Atomuhr mit Präzision von einer Sekunde in 300 Milliarden Jahren

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DESY Deutsches Elektronen- Synchrotron

Fujitsu Technology Solutions GmbH

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie auf Basis des Elements Scandium ein wesentlich exakterer Taktgeber für Atomuhren erzeugt werden kann als derzeit mit den Elektronen des Elements Cäsium.

Atomuhren sind derzeit die genauesten Zeitmesser. Als Taktgeber nutzen sie bislang Elektronen in der Atomhülle chemischer Elemente, zum Beispiel Cäsium. Diese lassen sich mit Mikrowellen einer bekannten Frequenz auf ein höheres Energieniveau anheben. Dabei absorbieren sie die Mikrowellenstrahlung. Eine Atomuhr bestrahlt Cäsium-Atome mit Mikrowellen und regelt die Frequenz der Strahlung so, dass die Mikrowellen möglichst stark absorbiert werden; Fachleute nennen dies eine Resonanz. Der Quarzoszillator, der die Mikrowellen erzeugt, lässt sich mit Hilfe der Resonanz so stabil halten, dass Cäsium-Uhren in 300 Millionen Jahren auf eine Sekunde genau gehen.

Übergänge im Atomkern statt in der Atomhülle als Taktgeber nutzen

Ausschlaggebend für die Genauigkeit einer Atomuhr ist die Breite der verwendeten Resonanz. Aktuelle Cäsium-Atomuhren verwenden bereits eine sehr schmale Resonanz, eine höhere Genauigkeit erreichen Strontium-Atomuhren mit nur einer Sekunde auf 15 Milliarden Jahre. Eine weitere Verbesserung lässt sich mit der Anregung von Elektronen praktisch nicht mehr erzielen. Bereits seit einigen Jahren arbeiten Teams weltweit daher an einer Atomkernuhr, die Übergänge im Atomkern statt in der Atomhülle als Taktgeber nutzt. Diese Kernresonanzen sind deutlich schärfer als die Resonanzen von Elektronen in der Atomhülle, aber auch deutlich schwieriger anzuregen.

Resonanzanregung von Scandium gelungen

Am European XFEL haben Forscher nun auf Basis des Elements Scandium einen wesentlich exakteren Taktgeber erzeugt, der eine Genauigkeit von einer Sekunde in 300 Milliarden Jahren ermöglicht. Sie konnten einen Übergang im Kern des Elements Scandium, das als hochreine Metallfolie oder Scandiumdioxid leicht erhältlich ist, anregen. Diese Resonanz erfordert Röntgenstrahlung mit einer Energie von 12,4 Kilo-Elektronenvolt (das ist etwa 10.000-mal so viel wie die Energie von sichtbarem Licht) und hat eine Breite von nur 1,4 femto-Elektronenvolt (feV). Das sind 1,4 Billiardstel Elektronenvolt und damit lediglich etwa ein Zehntel Trilliardstel der Anregungsenergie (10-19). Damit ist eine Genauigkeit von 1:10.000.000.000.000.000.000 möglich, was einer Sekunde in 300 Milliarden Jahren entspricht.

In dem bahnbrechenden Experiment bestrahlte das Team eine 0,025 Millimeter dünne Scandium-Folie mit Röntgenlaserlicht und konnte ein charakteristisches Nachleuchten detektieren, welches von den angeregten Atomkernen ausgesendet wurde und ein eindeutiger Nachweis der extrem schmalen Resonanzlinie des Scandium ist.

Exakte Bestimmung der Resonanzenergie erfolgt

Wichtig für den Bau von Atomuhren ist auch die exakte Kenntnis der Resonanzenergie, also der Energie der Röntgenlaserstrahlung, bei der die Resonanz eintritt. Durch eine ausgeklügelte extreme Rauschunterdrückung und hochauflösende Kristalloptiken ließ sich in den Versuchen der Wert der Scandium-Resonanzenergie mit 12,38959 keV bis auf die fünfte Stelle hinter dem Komma bestimmen, das ist 250-fach genauer als bisher. An der Arbeit waren Forscherinnen und Forscher vom Argonne National Laboratory in den USA, dem Helmholtz-Institut Jena, der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Texas A&M University in den USA, dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, der polnischen Synchrotronstrahlungsquelle SOLARIS in Krakau, vom European XFEL und von DESY beteiligt.

Forschungsergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten

Atomuhren haben zahlreiche Anwendungen wie beispielsweise die exakte Ortung mit Hilfe der Satellitennavigation, die von einer Verbesserung der Genauigkeit profitieren. Der Durchbruch bei der Resonanzanregung von Scandium und der präzisen Messung ihrer Energie eröffnet auch neue Möglichkeiten in der Ultrapräzisionsspektroskopie und für die Präzisionsmessung fundamentaler physikalischer Effekte.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal konstruktionspraxis erschienen.

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