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Donnerstag, 12. Oktober 2017, Ausgabe Nr. 41

Donnerstag, 12. Oktober 2017, Ausgabe Nr. 41

Metrologie

Eiskalt ausgerechnet

Von Stephan W. Eder | 10. August 2017 | Ausgabe 32

Atomuhren erzeugen weltweit die Zeitskala, mit der Wissenschaft und Industrie arbeiten. In Zukunft werden sie genauer und schneller werden.

Atomuhr_Reportage (6)
Foto: Ulrich Zillmann

Quelle der deutschen Zeitskala: eine der beiden Cäsium- Fontänenuhren in der Uhrenhalle der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt auf dem Campus in Braunschweig.

Ekkehard Peik zieht die große Metalltür zu einer Schleuse auf, einem breiten, langen Gang. „Hier werden Strahlungen abgeschirmt“, sagt er. Die Türen sind mit speziellen metallischen Dichtungsprofilen versehen, die Schleuse ist mikrowellendicht.

Danach erst öffnet sich die nächste Tür ins Allerheiligste – die Uhrenhalle der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, kurz PTB. Ein einziger, überraschend großer und hoher rechteckiger Raum, ausgekleidet mit Kupferfolie – einer elektromagnetischen Abschirmung, ein Relikt aus Zeiten des Kalten Krieges.

Foto: Ulrich Zillmann

Herr der Zeit: Der Physiker Ekkehard Peik leitet an der PTB den Fachbereich „Zeit und Frequenz“, im Hintergrund Teile der Cäsium-Atomuhren.

Fällt die Tür zu, ist man eingehüllt in ein gedämpftes Rauschen – von Pumpen, von Lüftern elektronischer Geräte. Kein einziges Tick, kein einziges Tack ertönt; was eine mechanische Uhr so machen würde. Dennoch: Hier wird die Zeit erstellt – exakter: die deutsche Zeitskala erzeugt, durch Atomuhren, verbreitet über den Langwellensender DCF77. „Von hier aus verteilen wir die Zeitskala auf dem Gelände bei 100 MHz Normalfrequenz“, sagt Peik, ein freundlicher, schlanker Physiker mit rundlicher Brille im feinkarierten Hemd. Er ist als Leiter des Fachbereichs „Zeit und Frequenz“ hier der Herr im Haus.

Von außen hat der Hort der Zeit auf dem riesigen Campus der PTB im Westen Braunschweigs einen profanen Charakter: ein fensterloser Ziegelbau, schmucklos, mit recht flachem Dach, und dieses vollgestellt mit Antennen. Alles irgendwie unprätentiös. Die PTB-Experten machen hier halt die Zeit.

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Sechs Atomuhren haben Platz in der Halle: vier offizielle und zwei, denen die Zukunft gehört. „Zum Fachbereich gehören die primären Cäsiumuhren, das sind die hier konstruierten und gebauten Uhren“, erklärt Peik. „Das ist einmalig auf der Welt, ein großes Labor mit vier Cäsiumuhren und den Ytterbium-Ionenuhren.“

Nur: Was heißt hier Uhr? Atomuhren sind physikalische Experimente, die beständig laufen. Diese Zeitmesser nutzen die Tatsache, dass der Unterschied zwischen zwei Energieniveaus in der Elektronenhülle von Atomen oder Ionen festliegt. Dessen Wellenlänge, Uhrenübergang genannt, ist das Pendel der Uhr, und das Experiment beprobt beständig diese Energiedifferenz. Für jede Uhr braucht es mehrere Labortische, hinzu kommen Versuchskammern unter Hochvakuum. Das ist nichts für das Handgelenk.

Foto: Ulrich Zillmann

Vakuumkammer einer optischen Atomuhr: In diesem Falle werden Strontiumatome in einem optischen Gitter gesammelt. Diese Uhren erreichen schnell eine hohe Genauigkeit.

Links in der Uhrenhalle – mit Namen CS1 und CS2 – die sogenannten „thermischen“ Cäsiumuhren, im Kern zwei lange Metallzylinder. „Das ist so etwas wie die Langzeittradition des Labors, in den 1960er-Jahren angefangen und immer noch ein aktuelles Thema der Forschung“, ist Peik stolz. Da immer mit Vakuum gearbeitet wird, sind die Zylinder verkabelt, mit Schläuchen versehen – quasi die Uhr auf der Intensivstation.

Das Prinzip: Cäsiumatome werden in einem Ofen verdampft, treten als Atomstrahl aus einer Düse aus und werden dann in das Experiment gelenkt, in dem die Länge einer Sekunde ermittelt wird. Diesen Atomstrahl nennen die Physiker „thermisch“, weil die verdampften Atome ungekühlt in das Experiment gelangen.

Rechts im Raum zwei neuere Atomuhren, CSF1 und CSF2 genannt, CSF für „Cäsium-Fontänenuhr“; in ihnen werden die Cäsiumatome erst mit Lasertechnik abgekühlt, bevor das Uhrenexperiment startet. Das macht sich bemerkbar: „Der Genauigkeitsunterschied zwischen den beiden alten Cäsiumuhren mit dem thermischen Atomstrahl und den beiden neuen mit Fontänen beträgt mittlerweile fast zwei Größenordnungen“, so Peik. Seit 2010 sind die Fontänenuhren maßgeblich an der Erzeugung der Zeitskala beteiligt, sie kommen auf eine Genauigkeit von 10-16, gehen also auf ein Zehnbilliardstel genau.

Das alles ist Routine für die PTB-Zeiterzeuger. Aus der Reserve locken lassen sich die Braunschweiger Zeitforscher erst, wenn es um die Zukunft geht. Noch nämlich beruht die Definition der Einheit Sekunde auf der Messung eines im Mikrowellenbereich liegenden atomaren Übergangs.

Optische Atomuhren

Das soll schon bald anders werden. „Bald“ in den Zeiträumen, in denen die Grundlagenphysiker denken. Es dürfte noch zehn Jahre dauern, aber dann könnten die optischen Atomuhren die Zeit angeben. Der Uhrenübergang liegt dabei im sichtbaren, optischen Teil des elektromagnetischen Spektrums. Daher wird die Zeitmessung um rund den Faktor 100 genauer sein.

Die optische Zukunft der Zeitskala sitzt deshalb in der Uhrenhalle hinten schon auf der Reservebank und wartet nur auf das Signal zum Einwechseln. Dort sieht es für Uneingeweihte noch nicht ganz so aufgeräumt aus wie bei den zwei Paaren Cäsiumatomuhren. Hier darf noch gebastelt werden. Ein paar von Peiks Mitarbeitern arbeiten an mehreren vollgestopften optischen Tischen. Es wird labormäßig eng beim Durchgang zwischen den einzelnen Apparaturen.

Hier sind die Ytterbium-Uhren aufgebaut: Ein einzelnes Ion des Seltenerdmetalls in einer elektrischen Falle reicht aus, damit die Physiker ein Messsignal erhalten, aus dem sie die Sekunde auf ein Trillionstel genau bestimmen können. „Wir haben derzeit in der Uhrenhalle zwei Systeme laufen mit jeweils einer Ionenfalle und den Lasern auf je einem Tisch“, erklärt Peik. „Zurzeit vergleichen wir die Langzeitstabilität und Übereinstimmung der beiden Ytterbium-Ionenuhren.“

Foto: PTB

Inneres der Strontium-Atomuhr: Im oberen Drittel ist eine blauleuchtende Wolke von Strontiumatomen zu sehen, die eine Temperatur von wenigen Milli-Kelvin haben.

Die Braunschweiger Uhrenhalle ist ein wichtiger Dreh- und Angelpunkt für die weltweite Zeitmessung. Das Internationale Büro für Maße und Gewichte in Paris berechnet die Weltzeit nach einem komplexen Algorithmus mit Daten aus derzeit gut 70 metrologischen Labors mit mehr als 400 Uhren rund um den Globus. „Wir sind das sogenannte Pivot-Labor“, erklärt Peik, „der zentrale Bezugspunkt für diese Messungen, weil wir zentral in Europa liegen und diese ganzen Uhrentechniken betreiben.“ Von den gut 400 Atomuhren weltweit seien ein Großteil konventionelle thermische Cäsium-Atomuhren. Kaufbare Cäsium-Fontänenuhren gibt es nicht. Deren Anzahl ist überschaubar, gemeldet seien zwölf Uhren weltweit, so Peik – zwei davon stehen in Braunschweig.

Die PTB-Wissenschaftler arbeiten gleich an zwei Arten von optischen Atomuhren, der Ytterbium-Ionenuhr und einer Gitter-Atomuhr auf Basis von Strontium. Das optische Gitter, das der Uhr ihren Namen gibt, hält die Atome im Verlauf des Experiments gefangen. Es ist die Überlagerung zweier stehender Lichtwellen. Eine stehende Welle erzeugt für sich stabile Wellenberge und -täler. Überlagert man zwei stehende Wellen, ergibt sich eine Art Waffelmuster (Gitter). In jedem Waffeltal kann ein Atom sitzen.

Genauigkeit und Stabilität von Uhren sind zwei verschiedene Paar Schuh

Foto: Stephan W. Eder

Hält die Uhren stabil: Uwe Sterr. Der Physiker leitet in der PTB die Arbeitsgruppe „Längeneinheit“. Er ist außerdem Experte für die Resonatoren, die die Laser der Atomuhren stabilisieren.

Die Forscher der PTB-Labors tüfteln daran, beide Uhrensysteme genauer, stabiler, robuster und kleiner zu machen. „Man muss gedanklich zwischen Genauigkeit und Stabilität unterscheiden“, sagt Uwe Sterr, Leiter der Arbeitsgruppe „Längeneinheit“ in der PTB. Genauigkeit bei einer Atomuhr beschreibe den Fall, dass man beliebig lange messen könne und dann ermittele, wie genau die Frequenz des Uhrenlasers (s. Kasten „Optische Atomuhren“) exakt in Übereinstimmung mit der ungestörten Frequenz des atomaren Uhrenübergangs sei. „Bei diesen Messungen kommt es darauf an, wie genau man alle Störungen korrigieren oder verhindern kann.“

Stabilität hingegen meine, wie lange man messen müsse, um eine bestimmte Genauigkeit zu erreichen. „Optische Atomuhren auf Ionenbasis brauchen einige Tage, um eine Genauigkeit von 10-18 zu erreichen“, erklärt Sterr. Bei einer optischen Gitteruhr wie der Strontium-Atomuhr sei man prinzipiell um einen Faktor 1000 schneller.

Der Nachteil der Ionenuhr ist, dass das Messsignal nur von einem einzelnen Ion kommt. „Das begrenzt das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit die Kurzzeitstabilität, aber der Vorteil ist, dass es in Bezug auf die Kontrolle externer Einflüsse fast ideal ist“, betont Peik.

In Braunschweig steht die genaueste Strontiumgitteruhr Europas

„Der Vorteil einer Gitteruhr ist die große Anzahl von Atomen, die man dort abfragen kann, und deswegen ist das Signal-Rausch-Verhältnis besser und die Langzeitstabilität höher“, erklärt Christian Lisdat, Leiter der Arbeitsgruppe „Optische Gitteruhren“. Die Braunschweiger erreichen mit ihrer Strontium-Gitteruhr eine Genauigkeit von knapp 10-17, die genaueste Strontiumuhr in Europa, betont er. „Um dies zu erreichen, benötigen wir heute noch 100 s. Das ist für uns auch die Motivation, diese Gitteruhr weiterzuentwickeln.“

Seit fast 30 Jahren beschäftigt sich Sterr mit einem besonderen Bestandteil optischer Uhren: dem optischen Resonator. Er soll den Uhrenlaser stabil in Übereinstimmung mit der Uhrenfrequenz halten. „Der Uhrenübergang ist das Pendel der Atomuhr, der Resonator ihr Schwungrad“, erklärt Sterr. Die Stabilität des Uhrenlasers ist entscheidend für die Kurzzeitgenauigkeit der Uhr.

„Die Kohärenzzeit des Lasers bestimmt, wie lange man damit die atomare Uhrenfrequenz abfragen kann“, so der Physiker. Dazu wird die Laserfrequenz abgeglichen mit einer im optischen Resonator aufgebauten stehenden Lichtwelle. Bis zu 400 000-mal läuft das Licht darin hin und her.

Weltrekord für den genauesten Laser weltweit

Kürzlich haben die Braunschweiger zusammen mit Forschern des Jila, eines gemeinsamen Instituts des amerikanischen National Institute of Standards and Technology (Nist) und der Universität Boulder, Colorado, einen Weltrekord für den stabilsten Laser aufstellen können. Die Linienbreite des Lasers, ein Maß für die Ungenauigkeit, konnten die Teams auf 10 mHz begrenzen. Je kleiner die Linienbreite des verwendeten Lasers ist, desto genauer lässt sich die Uhrenfrequenz der optischen Atomuhren ermitteln.

Foto: Ulrich Zillmann

Ein optischer Resonator dient der Stabilisierung jener Laser, mit denen die optische Uhr abgefragt wird. Die PTB nutzt solche Resonatorkammern aus einem Siliziumeinkristall, die thermisch besonders stabil sind.

Bei den extrem hohen Genauigkeiten, die für die optischen Atomuhren eine Rolle spielen, müssen Resonatoren quasi immun gegen äußere Einflüsse sein. Sterr kühlt sie daher: „Wir arbeiten mit 20 cm langen Resonatoren aus Siliziumeinkristallen. Die werden bei 124 K betrieben, weil der Ausdehnungskoeffizient des Siliziums dort ein Minimum hat.“

In Zukunft werden auch die Spiegelbeschichtungen aus einkristallinem Material sein, so ließe sich eine Genauigkeit von 1 x 10-17 erreichen; könnte er bei 4 K statt bei 124 K arbeiten, käme er auf 3 x 10-18. Das ist der Genauigkeitsbereich der Ytterbium-Ionenuhr. Die PTB-Physiker scheinen nahe dran zu sein, dass in der Uhrenhalle bald die optischen Atomuhren den Takt angeben dürfen.

Physiker untersuchen, wie konstant Naturkonstanten wirklich sind

Fragt man einen Physiker wie Ekkehard Peik, wozu das, was er und seine Kolleginnen und Kollegen an der PTB erforschen, denn gut sei, dann liegt die Antwort für ihn auf der Hand: „Das Hauptinteresse liegt in der Forschung selbst: Was muss man machen, um so genaue Uhren zu bauen?“

Jenseits davon sind es Fragen nach den Grundlagen der Physik, wie die nach der Konstanz der Naturkonstanten: „Ihre Konstanz ist ein Grundpostulat der heutigen Physik, ohne die die Modelle, mit denen wir arbeiten, nicht funktionieren würden. Viele Theorien aber, die Gravitation und Relativitätstheorie zusammenbringen, sagen voraus, dass man kleine Änderungen der Naturkonstanten hat. Das versuchen wir mit den Uhren zu testen“, erklärt Peik.

Von diesen Tests ist es nur noch ein kleiner Sprung zur relativistischen Geodäsie. In Christian Lisdats schmucklosem Laborbau ragt im Flur ein daumendicker Knubbel aus messingfarbenem Metall aus der Wand: „Wir haben überall in den Gebäuden Höhenreferenzpunkte eingelassen. Hier sind es Höhenreferenzbolzen“, erklärt er. Der Physiker erahnt förmlich das Fragezeichen im Gesicht des Gegenübers: Was hat ein Bolzen in einer Laborflurmauer mit Atomuhren zu tun?

Foto: Ulrich Zillmannn

Christian Lisdat leitet in der PTB die Arbeitsgruppe „Optische Gitteruhren“. Der Physiker entwickelt daher vor allem die Strontium-Atomuhr weiter.

Lisdat ist ein geduldiger Erklärer. „Wir kennen jetzt sehr genau die Höhe dieses Bolzens bezüglich des Geoids, also der Form unserer Erdoberfläche, beziehungsweise das Gravitationspotenzial an diesem Punkt“, sagt er. „Der Haken ist, dass die Zeit unterschiedlich schnell vergeht, je weiter man von einer großen Masse entfernt ist – in unserem Fall der Erde.“ Das ist ein relativistischer Effekt, der pro Meter Höhenunterschied auf der Erde zu einer Frequenzänderung von 10-16 führt.

An unterschiedlich hoch gelegenen Orten auf der Erde vergeht die Zeit unterschiedlich schnell

Wollen die Braunschweiger also eine ihrer Uhren zum Beispiel mit den Kollegen vom Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) in Paris vergleichen, dann gibt es Probleme: „Da kommt erst einmal etwa Falsches heraus, weil Paris 25 m tiefer liegt als Braunschweig. Das müssen wir korrigieren“, erklärt Lisdat.

25 m ist übersetzt eine Frequenzänderung von 2,5 x 10-15. Hier kommt die Strontium-Atomuhr als Messinstrument ins Spiel: „Die hat eine Auflösung von 10-17, und dann ist dieser Effekt deutlich sichtbar“, erklärt Lisdat. Und das auch relativ schnell, denn die Strontium-Atomuhr erreicht ihre Genauigkeit bald nach dem Einschalten.

Umgekehrt ließen sich aus der Gangdifferenz zweier optischer Atomuhren auch Höhenunterschiede weltweit sehr genau vermessen. Mit einer Ytterbium-Uhr, die eine Genauigkeit von hat 3 x 10-18 erreicht, ergibt sich Lisdat zufolge eine Höhenauflösung von einigen Zentimetern.

Damit ließe sich die Höhenmessung verbessern, denn über die Kontinente hinweg sind die Höhensysteme bisher nicht angeglichen. So gibt es zum Beispiel zwischen Europa und Nordamerika einen Unsicherheitsbereich von einigen Metern.

„Das Schwierige ist, dass man dazu nicht nur zwei dieser Uhren braucht, sondern dass man die beiden Uhren auch über eine Verbindung vergleichen können muss, die diese Genauigkeit unterstützt“, erklärt Ekkehard Peik. Glasfaserverbindungen wären prinzipiell geeignet. Über einige Hundert Kilometer hinweg – eben zwischen PTB und LNE – gibt es sie auch schon, aber nicht zwischen verschiedenen Kontinenten. Denn aufgrund der im transatlantischen Interkontinental-Datenverkehr nötigen Repeater kann das Signal nicht ungestört durchlaufen.

Optische Atomuhren könnten die GPS-Ortung verbessern

Die Verbesserung der GPS-Technik ist ein weiteres Thema. „Schon bei den heute genauesten Uhren sind wir bei einer Genauigkeit von 10-16, daraus ergibt sich eine GPS-Genauigkeit im Zentimeterbereich“, erklärt Peik. Im Prinzip sei es daher heute schon möglich, die Kontinentaldrift von ein paar Zentimetern pro Jahr mithilfe von GPS-Daten zu verfolgen.

Mit der GPS-Genauigkeit für die Verkehrsnavigation hat das weniger zu tun, dafür ist die Kurzzeitstabilität der Uhren ausschlaggebend. Denn hier geht es ja darum, dass sich die Position schnell ändert. Die Uhren müssen also ihre Genauigkeit möglichst schnell erreichen – Stabilität nennen das die Fachleute. „Hier liegt die Genauigkeit bei einigen Metern, und sie hängt stark ab von der Stabilität der Uhren auf den Satelliten und der Stabilität des Empfängers, den man hat“, erklärt Peik.

Im Navigationsbereich höhere Genauigkeiten zu erreichen, hängt davon ab, wann es möglich sein wird, schuhkartongroße optische Uhren zu bauen, die man dann auf die GPS-Satelliten packen kann. „Das ist für die militärischen Anwender ein ganz wichtiger Aspekt“, weiß Peik, denn die Einsatzleitung benötigt im Ernstfall möglichst schnelle und genaue Positionsangaben.

Zeitforscher arbeiten an einer Uhr auf Basis von Thorium

Und sollte die optische Atomuhr mal zur Routine werden, haben sich die Braunschweiger Physiker schon die nächste Herausforderung gesucht: einen Uhrenübergang im Atomkern. Ekkehard Peik ist die Begeisterung anzumerken: „Es ist ein vollkommen neues Arbeitsgebiet zwischen Atom- und Kernphysik. Niemand hat diesen Übergang bisher direkt mit einem Laser anregen und die Wellenlänge messen können. Wir arbeiten mittlerweile seit 15 Jahren daran. Man sucht ein sehr, sehr schwaches Signal.“

Wo andere es aufgrund überwältigender Schwierigkeiten vielleicht lieber lassen würden, sich mit einem Thema eingehender zu beschäftigen, scheinen die PTB-Zeitexperten erst richtig Gefallen daran zu finden. Peik spricht von einem Gammaquant, das beim Zustandsübergang innerhalb eines Atomkerns erzeugt wird – das sichtbare Licht in einer optischen Atomuhr wird erzeugt durch den Übergang von Zuständen in der Elektronenhülle des Atoms. Damit das Ganze nicht zu einfach wird, ist das Atom, das Peik erforschen will – das Thoriumisotop 229 – radioaktiv. „Das erzeugt parasitär auch Licht. Eine sehr spannende neue Physik“, schwärmt Peik.

Und ideal für eine Uhr: eine sehr kurze Wellenlänge – und so gut wie keine Störeffekte: „Viele der Effekte, die bei optischen Atomuhren die Frequenz verschieben, basieren auf Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern. Diese haben aber auf den Kern eine viel kleinere störende Wirkung als auf die Elektronenhülle“, weiß Peik.

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