Atomuhr

Atomuhr

Die Caesium-Atomuhr „CS 4“ der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig wurde 1992 in Betrieb genommen. Seit 2005 ist sie ein Exponat im Braunschweigischen Landesmuseum.

Cäsium-Atomuhr CS 1 im Deutschen Museum Bonn

Eine Atomuhr ist eine Uhr, deren Zeittakt aus der charakteristischen Frequenz von Strahlungsübergängen der Elektronen freier Atome abgeleitet wird. Die Zeitanzeige einer Referenzuhr wird fortwährend mit dem Taktgeber verglichen und angepasst. Atomuhren sind derzeit die genauesten Uhren und werden auch primäre Uhren genannt.

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

Die Grundlagen der Atomuhr wurden vom US-amerikanischen Physiker Isidor Isaac Rabi an der Columbia University entwickelt, der dafür 1944 den Nobelpreis für Physik erhielt. Ein weiterer Nobelpreis im Zusammenhang mit Atomuhren wurde 1989 an den US-amerikanischen Physiker Norman Ramsey für die Verbesserung der Messtechnik bei atomaren Energie-Übergängen verliehen.

Funktionsweise

Uhren können die Zeit umso genauer angeben, je konstanter die Schwingung ihres Taktgebers ist. Bei Räderuhren sind dies das Pendel oder die Unruh, bei der Quarzuhr ist es ein Schwingquarz, der die Frequenz eines Quarzoszillators konstant hält. In Atomuhren macht man sich die Eigenschaft von Atomen zu Nutze, beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz abzustrahlen oder zu absorbieren.

Ein temperaturkompensierter Quarzoszillator erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld, dem die Atome ausgesetzt werden. Bei einer ganz bestimmten Frequenz absorbieren die Atome besonders viel Energie und strahlen diese in andere Richtungen ab. Diese Resonanz wird verwendet, um die Frequenz des Quarzoszillators mittels einer Regelschleife extrem stabil zu halten: Weicht die Frequenz von der Resonanz ab, wird dies erkannt. Die Frequenz des Quarzoszillators wird dann entsprechend angepasst, um wieder die Resonanzfrequenz der Atome zu treffen. Die Stabilität der Resonanz selbst bestimmt jetzt die Frequenzstabilität des Ausgangssignals. Ausgelesen wird schließlich das Zeitsignal der Quarzuhr.

Geschichte und Entwicklungen

Louis Essen und J. V. L. Parry zeigen die Caesiumuhr

Aufbauend auf seine in den 1930er Jahren durchgeführten Untersuchungen zu Magnetresonanzverfahren, regte 1945 der US-amerikanische Physiker Isidor Isaac Rabi den Bau einer Atomuhr an. Die erste Atomuhr wurde 1946 von Willard Frank Libby vorgestellt, eine weitere wurde 1949 im National Bureau of Standards (NBS) in den Vereinigten Staaten unter Verwendung von Ammoniak-Molekülen als Schwingungsquelle von Harold Lyons konstruiert. Da sie aber noch nicht den erhofften Genauigkeitsgewinn erbrachte, wurde die Uhr drei Jahre später überarbeitet und auf die Verwendung von Caesiumatomen umgerüstet. Sie erhielt den Namen NBS-1.

1955 folgte dann eine noch genauere Caesiumuhr vom Physiker Louis Essen und J. V. L. Parry am National Physical Laboratory in Großbritannien.

Aufgrund der hervorragenden Gangergebnisse dieser Uhren wurde die Atomzeit als internationaler Standard für die Sekunde definiert. Seit Oktober 1967 beträgt die Zeitdauer einer Sekunde im internationalen Einheitensystem per Definition […] das 9.192.631.770fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids ¹³³Cs entsprechenden Strahlung.

Im Laufe der Jahre wurde die Genauigkeit der Atomuhren immer wieder verbessert. Bis Ende der 1990er Jahre wurde eine relative Standardabweichung zur idealen SI-Sekunde von etwa 5·10⁻¹⁵ erreicht, Anfang 2015 bereits 5·10⁻¹⁸.

Hochpräzise Atomuhren

Caesium, Rubidium, Wasserstoff und neuerdings Strontium sind die gängigsten Atome, mit denen Atomuhren betrieben werden. Die Tabelle stellt ihre Eigenschaften gegenüber. Zum Vergleich sind die Werte für einen beheizten Schwingquarz, den sogenannten Quarzofen (OCXO), sowie Ammoniak mit aufgenommen.

Typ	Arbeitsfrequenz in MHz	relative Standardabweichung typischer Uhren
Quarzofen (OCXO)	5 bis 10 üblich	10−8
NH3	23 786	10−11
133Cs	9 192,631 77 (*)	10−13
87Rb	6 834,682 610 904 324	10−15
1H	1 420,405 751 77	10−15
Optische Atomuhr (87Strontium)	429 228 004,229 874	10−17

(*) Definition der Sekunde

Neben Caesium, Rubidium und Wasserstoff werden auch andere Atome oder Moleküle für Atomuhren verwendet.

Caesium-Fontäne

In neueren Atomuhren arbeitet man mit thermisch abgebremsten Atomen, um die Genauigkeit zu erhöhen. In der „Caesium-Fontäne“ (engl.: Cesium fountain) werden Caesiumatome 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 Caesium-Fontäne), hierdurch kann die effektive Wechselwirkungsdauer der Atome mit den eingestrahlten Mikrowellen verlängert werden, was eine exaktere Frequenzbestimmung erlaubt. Die relative Standardabweichung der Caesium-Fontäne NIST-F1 lag im Jahr 1999 bei nur etwa 10⁻¹⁵, was einer Abweichung von einer Sekunde in 20 Millionen Jahren entspricht.

Optische Uhr

In einer Atomuhr wird die Frequenz einer atomaren Resonanz gemessen. Dies gelingt umso genauer, je höher die Frequenz der Resonanz ist. Sichtbares Licht hat eine etwa 50.000-fach höhere Frequenz als die beim Caesium genutzte Mikrowellenstrahlung. Eine Atomuhr, die mit einer optischen Resonanz arbeitet, kann aus diesem Grund deutlich genauer sein. Seit einigen Jahren wird daher an der Realisierung einer optischen Atomuhr gearbeitet, die eine höhere Genauigkeit aufweist als die aktuell genutzten Caesium-Uhren.

Zu diesem Zweck werden 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 Atome in einer Atomfalle gespeichert. Ein Laser wird auf einen schmalbandigen Übergang stabilisiert. Die Stabilität der Frequenz dieses Laserlichts wird anschließend ohne Genauigkeitsverlust auf ein periodisches elektrisches Signal übertragen. Dies gelingt mit einem Frequenzkamm. Als Frequenz für das elektrische Signal ist 10 MHz üblich.

Physiker vom JILA in Boulder (Colorado) haben im Februar 2008 eine optische Atomuhr präsentiert, die auf spinpolarisierten ⁸⁷Strontium-Atomen basiert, welche in einem Gitter aus Laserlicht gefangen sind. Es gelang der PTB mit Hilfe ihres transportablen Frequenzkamms eine Frequenz von 429.228.004.229.874 ±1 Hz zu verifizieren. Der Rekord lag Anfang 2008 bei 10⁻¹⁷, gemessen an einem ultragekühlten Aluminiumatom.

Im August 2013 konnte am selben Institut in einer Zusammenarbeit mit dem NIST die Präzision (nicht zu verwechseln mit Genauigkeit) einer optischen Atomuhr auf 10⁻¹⁸ verbessert werden. Dies gelang durch den Vergleich zweier baugleicher Uhren, die wie oben auf spinpolarisierten Atomen basiert, hier jedoch auf jeweils ca. 10000 Ytterbium Atomen. Die größere Anzahl an Atomen erlaubt eine vergleichsweise schnelle Bestimmung der Präzision der Uhren durch Mittelung über die Messdaten.

Auf dem erreichten Präzisionsniveau wird eine 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.

Im Juli 2012 präsentierte China zum ersten Mal eine an der Akademie der Wissenschaften in Wuhan entwickelte optische Uhr, die auf Calcium-Ionen basiert. China wurde damit nach den USA, Deutschland, Großbritannien, Kanada, Österreich und Japan das siebte Land, das optische Uhren entwickeln kann.

Kleinformatige Atomuhren für die praktische Anwendung

Chip-scale Atomuhr vom NIST

Eine andere Entwicklungslinie neben den hochpräzisen Uhren verfolgt den Bau preiswerter, kleiner, leichter und energiesparender Uhren, z. B. für den Einsatz in Satelliten von Satellitennavigationssystemen wie GPS, GLONASS oder Galileo, um so die Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen. Im Jahr 2003 gelang es, eine Rubidium-Atomuhr zu bauen, die nur ein Volumen von 40 cm³ einnimmt und eine elektrische Leistung von einem Watt aufnimmt. 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, nicht temperaturkompensierte Quarzuhren haben eine Abweichung von rund einer Sekunde in einem Monat. Verglichen mit diesen ist diese kleine Atomuhr 120.000-mal genauer.)

Im Jahr 2011 kam eine portable Chip Scale Atomic Clock (CSAC) mit einem Volumen von 17 cm³ zu einem Preis von $1,500 auf den zivilen Markt.

Wasserstoff-Maser-Uhren zur Anregung der Schwingung sind ebenfalls hochgenau, aber schwieriger zu betreiben. Der erste Wasserstoff-Maser im Erdorbit ist auf dem Galileo-Navigationssatelliten Giove-B am 27. April 2008 als Zeitbasis für die Ortsbestimmung in die Umlaufbahn transportiert worden.

Einsatz in Deutschland, Österreich und der Schweiz

Atomuhr CS2 der PTB

In Deutschland sind vier Atomuhren in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig in Betrieb, darunter auch zwei „Caesium-Fontänen“ im Regelbetrieb. Seit 1991 liefert die Caesium-Uhr CS2 das Zeitnormal für die Sekunden der gesetzlichen Zeit. Diese Zeit können Funkuhren über den Zeitzeichensender DCF77 empfangen; sie ist auch im Internet per NTP abrufbar.

In Österreich betreibt das Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (Labor für Frequenz, Zeit) mehrere Atomuhren. Die Master Clock liefert UTC(BEV). Diese Zeit können Computer über das NTP von den Stratum-1-Servern empfangen.

Datei:FOCS-1.jpg

Caesium-Fontäne FOCS-1 des METAS

In der Schweiz betreibt das Labor für Zeit und Frequenz des Bundesamts für Metrologie (METAS) mehrere Atomuhren, mit der die schweizerische Atomzeit TAI(CH) geführt und die schweizerische Weltzeit UTC(CH) errechnet wird. Diese kann über das Internet durch das NTP-Protokoll abgefragt werden. Bis 2011 konnten Funkuhren auch über den Zeitzeichensender HBG dieses Zeitsignal 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 das UTC-basierte Zeitsignal über den in Deutschland stationierten Sender DCF77. Das britische Pendant ist der Sender MSF.

Anwendungsbeispiele

• In vielen Standards-Instituten weltweit wird die Caesiumuhr Modell 5071A, ursprünglich von Hewlett-Packard entwickelt, später von Agilent, dann Symmetricom und zuletzt Microsemi vertrieben, eingesetzt. Siehe z. B. das Atomuhr-Labor des U.S. Naval Observatory.
• Im Atomic Clock Ensemble in Space (ACES), einem Teil des Columbus-Raumlabors, sollen zwei Caesium-Atomuhren für die Verwendung bei Galileo getestet werden.
• Rubidiumuhren können in kompakten Abmessungen und preisgünstig hergestellt werden. Sie werden in den Bereichen Telekommunikation, Energieversorgung und zum Kalibrieren in der Industrie verwendet. Ein sehr hoch entwickeltes Modell arbeitet in der neuesten Generation der Satelliten des GPS-Navigationssystems.
• Ein Rubidium-Oszillator stabilisiert die Trägerfrequenz des Langwellen-Rundfunksenders Donebach.
• Im Internet werden die Zeitimpulse zahlreicher Atomuhren mittels Network Time Protocol (NTP) frei für jedermann zur Verfügung gestellt.
• Rubidiumuhren kommen in hochwertigen Wordclock-Generatoren zum Einsatz, um Verbände digitaler Audiogeräte miteinander zu synchronisieren.

Literatur

• C. Audoin und J. Vanier: Atomic frequency standards and clocks. Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1976.
• Rexmond D. Cochrane: Measures for Progress: A History of the National Bureau of Standards. U.S. Department of Commerce, Washington D. C. 1966.

Weblinks

 Commons: Atomuhr – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Atomuhr – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Die aktuelle Zeit der Atomuhren – Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig
• Arbeitsgruppe Zeitnormale – Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig
• Geschichte: Zeitleiste der Entwicklung – National Institute of Standards and Technology (USA) (englisch)
• Geschichte: Die Atomuhr von Essen und Perry – National Museum of Science and Industry (UK) (englisch)
• Anwendung: Globale Navigation (englisch) (Memento vom 19. Januar 2012 im Internet Archive) (archivierte Seite von aero.org)