Forscher der Universität Wuhan haben die kleinste Atomuhr der Welt gebaut
Kleiner als ein Spielwürfel: China baut die kleinste Atomuhr der Welt
Forscher der chinesischen Universität Wuhan haben die kleinste Atomuhr der Welt gebaut. Mit 2,3 Kubikzentimetern ist sie nur etwa halb so groß wie ein normaler Spielwürfel mit 4,1 Kubikzentimetern.
Dabei bleibt die Atomuhr aber höchst präzise. Sie verliert alle 30.000 Jahre eine Sekunde. Um das in Relation zu setzen, muss man zwischen verschiedenen Arten von Atomuhren unterscheiden. Große, stationäre Atomuhren haben eine Abweichung von einer Sekunde erst nach Hunderten Millionen Jahre.
Chip-Scale-Atomuhren
Sehr kleine Atomuhren, sogenannte „Chip-Scale-Atomic-Clocks“ (CSACs), hingegen haben derzeit eine Abweichung von einer Sekunde alle 1.000 bis 2.000 Jahre. Die heute verwendeten CSACs sind aber größer als die neue Atomuhr. So ist z.B. die SA65 aus den USA 17 Kubikzentimeter groß, also das Siebenfache der Wuhan-Atomuhr.
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Wie Atomuhren funktionieren
Bei einer Atomuhr regen elektromagnetische Wellen mit einer bestimmten Frequenz Atome an. Liegt die Frequenz auch nur ein wenig daneben, werden diese nicht mehr angeregt. Die Atome dienen also als Kontrolle, dass die Frequenz der Welle immer gleich bleibt.
Definition einer Sekunde
Die Spitzen und Täler der Welle sind wie das „Pendel“ einer Uhr. Je höher der Takt des Pendels, also die Frequenz, ist, desto genauer ist die Atomuhr. In einer Cäsium-Atomuhr wird ein Cäsiumatom mit genau 9.192.631.770 Schwingungen pro Sekunde (9,19 Gigahertz) angeregt. Das ist die aktuelle Definition einer Sekunde.
Rubidium-Atomuhren haben einen „Takt“ von 6.834.682.610,904324 Hz (6,8 GHz).
Dass die neue Uhr so klein ist, liegt an ihrer cleveren Bauweise. CSACs verwenden Quarzoszillatoren, die mit einem Halbleiter-Laser verbunden sind. Der Quarzoszillator gibt den Takt für die Atomuhr vor, wie ein Pendel. Dieser Takt entspricht der Frequenz des Laserstrahls.
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Kontrolle durch "dunkle" Atome
Damit der Takt präzise ist, muss er ständig kontrolliert werden. Dafür beschießt der Laser permanent Atome, z.B. Cäsium oder Rubidium, die sich normalerweise in einer durchsichtigen Glasampulle befinden. Statt dieser Kapsel wurde aber, ähnlich wie bei einem Computerchip, eine millimetergroße, mikrogefertigte Dampfzelle verwendet, die deutlich kleiner als eine Glasampulle ist.
2024 entwickelte die Universität Basel eine wenige Millimeter große, durchsichtige Glaszelle, die mit Rubidiumatomen gefüllt ist und mit einem Laser beschossen werden kann.
© University of Basel, Department of Physics/Scixel
Ziel ist es, die Atome mit der Frequenz schwingen zu lassen, bei der sie durchsichtig bzw. "dunkel" sind. Dieses Quantenphänomen nennt sich "kohärenter Dunkelzustand". Solange die Atome in diesem Zustand sind, geht die Atomuhr korrekt. Stimmt die Frequenz nicht, beginnen sie das Laserlicht zu absorbieren und es verdunkelt sich - dann erkennt die Elektronik sofort, dass die Atomuhr falsch geht.
Herausfordernde Massenproduktion
Gegenüber der chinesischen Zeitung Changjiang Daily sagte Forschungsleiter Chen Jiehua, die neue Atomuhr sei bereits in der Massenproduktion. Dafür wurde das Spin-off Taifs (Wuhan) Technology Co gegründet. 2024 sollen so bereits mehrere Hundert dieser Atomuhren verkauft worden sein.
Genutzt werden sie insbesondere für militärische Zwecke, speziell bei Satelliten und Drohnen. Sie dienen dort zur korrekten Messung bei PNT-Systemen (Positioning, Navigation und Zeitmessung) sowie Unterwasser-BeiDou, dem chinesischen Äquivalent zu GPS.
Allerdings läuft die Massenproduktion noch nicht so rund, wie sich die Forscher erhoffen, berichtet die South China Morning Post. Die speziellen, kompakten Halbleiter-Laser sind noch teuer, da sie dauerhaft extrem präzise arbeiten müssen. Wenn sie nur ein winziges bisschen flackern, funktioniert die Atomuhr nicht mehr.
Mit Unterstützung der Yangtze River Industry Group, einer staatlichen chinesischen Investmentgruppe, will man jetzt eine automatisierte, kostengünstige Massenproduktion erreichen. Damit könnten die kleinen Atomuhren z.B. großflächig in "Wegwerf-Drohnen" zum Einsatz kommen, bei denen man sich keine Sorgen machen muss, dass wertvolle Technik verloren geht, wenn sie zerstört werden.
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