Ultrapräzise Atomuhr misst bisher kleinste Zeitdilatation

Wissenschaftler*innen des JILA-Instituts des US National Institute of Standards and Technology (NIST) haben eine optische Atomuhr gebaut, mit der Einsteins Zeitdilatation mit bisher größter Genauigkeit gemessen wurde.

Das Team zeigte das mit 2 winzigen Atomuhren, die nur mit einem Millimeter Höhendifferenz betrieben wurden. Die Zeitdilatation ist Teil von Einsteins Relativitätstheorie und beschreibt u.a. die Auswirkungen der Schwerkraft auf die Zeit.

Schwerkraft sorgt für langsameres "Ticken"

Mit dem Versuchsaufbau konnte eine Rotverschiebung (größerer Wellenlängen) der Atome gemessen werden, da die Frequenz der Strahlung der Atome sich verringert, wenn sie stärkerer Schwerkraft ausgesetzt sind - sprich sie näher an der Erde sind. 

Die untere Uhr "tickt" also langsamer als die obere Uhr, das ist aber noch keine neue Erkenntnis. Bisher wurden die Abweichungen aber nur in Uhren gemessen, die deutlich weiter auseinander lagen.

Neuer Weltrekord

Die gemessene Abweichung im neuen Versuchsaufbau beträgt 0,1 Trillionstel und stellt damit einen neuen Weltrekord für Abstand und Präzision auf. Das klingt zwar sehr gering, könnte für GPS-Systeme aber große Auswirkungen haben. 

Die verwendete optische Atomuhr ist aufgebaut wie "Pancakes", also mehrere Scheiben übereinander. Eine Wolke aus etwa 100.000 superkalten Strontiumatomen wird mit einem Laserstrahl in einem Gitter gehalten. Damit werden Verzerrungen und Fluktuationen verringert. Zudem sind die Atome quantenmechanisch verschränkt, was präzisere Messungen ermöglicht.

Quantenphysik-Forschung

Die Atome, die sich in den unteren Schichten befinden, sind laut Einstein erhöhter Schwerkraft ausgesetzt. Die Frequenz, mit der sie ticken, ist im Vergleich zu den oberen Atomen um einen sehr geringen Wert in den langwelligeren roten Bereich verschoben - und das konnten die Wissenschaftler*innen messen.   

"Das wichtigste und spannendste Ergebnis ist, dass wir potenziell Quantenphysik mit Gravitation verbinden können, etwa um komplexe Physik zu erforschen", sagt JILA-Physiker Jun Ye in einem Statement. Außerdem ermögliche ein solcher Aufbau eine 50-fach präzisere Messung mit Atomuhren als bisher. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Zweite extrem präzise Atomuhr entwickelt

Fast gleichzeitig haben Forscher*innen der Universität Wisconsin-Madison eine fast ebenso exakte Atomuhr entwickelt. Auch hier handelt es sich um eine Variante mit optischem Gitter, allerdings mit einem schlechteren Laser. 

Das Team nutzte einen einzelnen Laserstrahl, um eine Sphäre superkalter Strontium-Atome in sechs separate Sphären aufzuteilen, die jeweils als Atomuhr funktionieren können. Sie befinden sich in der gleichen Vakuum-Kammer auf einer Linie.

Sie kann winzigste Veränderungen in der Zeit messen. Vergleichbar sei das mit einer Uhr, die in 300 Milliarden Jahren lediglich eine Sekunde verliert, heißt es in einem Statement.

Besser für reale Anwendungsfälle

Wäre das Paper der JILA nicht zeitgleich erschienen, wäre das ein Weltrekord für den präzisesten Frequenzunterschied gewesen. Die Atomuhr der JILA funktioniert allerdings 10-mal besser als die der UW-Madison.

Allerdings merkt Studienleiter Shimon Kolkowitz an, man habe mit einem vergleichsweise schlechteren Laser ähnliche Ergebnisse geliefert. Das sei vor allem für reale Anwendungsfälle relevant, da dieser Laser transportabler ist. Auch das Paper der UW-Madison erschien im Fachmagazin Nature.