(openPR) Optische Atomuhren gelten als die Atomuhren der Zukunft, weil sie genauer sind als Mikrowellen-Atomuhren. Meist sind diese Uhren aufwendige Laboraufbauten. Die transportable optische Strontium-Gitteruhr der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) jedoch kann per Anhänger an den Ort ihres Einsatzes gebracht werden und liegt dennoch im Spitzenfeld optischer Uhren. Über die Ergebnisse der jetzt abgeschlossenen umfassenden Charakterisierung dieser Uhr berichten die PTB-Forschenden in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift „Quantum Science and Technology“.
Bisher wird die Zeit mithilfe von Cäsiumuhren und Mikrowellenstrahlung „gemacht“. Doch in Zukunft könnte die Einheit Sekunde mithilfe von optischen Uhren definiert werden. Bei ihnen werden Atome mithilfe von optischer Strahlung angeregt, die schneller schwingt als Mikrowellen und die Uhr deshalb noch genauer macht. Metrologie-Institute wie die PTB arbeiten weltweit an verschiedenen Typen optischer Uhren. Solche hochgenauen Uhren müssen aber auch miteinander verglichen werden. Das ist wichtig für die Grundlagenforschung und um die korrekte Funktionsweise unabhängig voneinander entwickelter Atomuhren zu überprüfen.
Aber um solche Uhren auf ihrem Genauigkeitsniveau miteinander zu vergleichen, fehlt oftmals die Infrastruktur. Diese Lücke können transportable optische Atomuhren füllen. Außerdem können sie wichtige Dienste für die Geodäsie leisten: Weil die geodätische Höhe aufgrund der Relativitätstheorie einen Einfluss auf die Taktrate einer solch genauen Uhr hat, lässt sich andersherum über den Vergleich der Taktraten zweier Uhren auf den Höhenunterschied zwischen ihnen schließen.
In einem gerade erschienenen Fachartikel in der Zeitschrift „Quantum Science and Technology“ berichten Forschende der PTB über die transportable Gitteruhr der PTB der zweiten Generation, die auf ultrakalten Strontium-Atomen basiert. Sie wurde 2023 erstmals in Betrieb genommen und seitdem umfassend charakterisiert. Das Ergebnis: Mit einer relativen Unsicherheit von 2,1 · 10–18 gehört sie zu den genauesten Uhren weltweit und würde bei kontinuierlichem Betrieb nach 15 Milliarden Jahren um typischerweise eine Sekunde falsch gehen.
Diese hohe Genauigkeit wurde unter anderem dadurch erreicht, dass die taktgebenden Strontium-Atome durch Laserstrahlen in einen Wärmeschild geführt werden. Er wird selbst auf –100 °C abgekühlt und schirmt die Atome vor dem störenden Einfluss der Wärmestrahlung aus der Umgebung ab. Die Genauigkeit der Atomuhr wird zudem bereits nach einer Mittelungszeit von weniger als einem Tag erreicht, was derzeit den Rekord für ein rein transportables System darstellt.
Diese transportable optische Atomuhr ist ein Beispiel für erfolgreich angewandte Quantentechnologie und wurde im Rahmen von Messkampagnen bereits an verschiedene Orte in Europa transportiert. Abgesehen vom metrologischen Nutzwert erlaubt sie die Realisierung von chronometrischer Geodäsie (also der Höhenmessung mit Uhren) auf einem bislang unerreichten Genauigkeitsniveau.
Die Arbeiten wurden im Rahmen der europäischen Metrologieforschung (Projekt 22IEM01 TOCK) und von der DFG (TerraQ und QuantumFrontiers) gefördert.
(es/ptb)
Komplette Bildunterschrift des zweiten Bildes:
Der zentrale Teil des Ultrahochvakuum-Systems der Uhr. Innerhalb des roten Kreises sind (durch Laserlicht angeregte) blau fluoreszierende Strontium-Atome zu sehen. Sie werden entlang des Pfeils in einen abgekühlten Wärmeschild aus Kupfer geführt. (Foto: PTB)
wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Ingo Noßke, Arbeitsgruppe 4.32 Optische Gitteruhren, Telefon: (0531) 592-4323, 
Originalpublikation:
I. Nosske, C. Vishwakarma, T. Lücke, J. Rahm, N. Poudel, S. Weyers, E. Benkler, S. Dörscher, C. Lisdat: Transportable strontium lattice clock with 4×10^(-19) blackbody radiation shift uncertainty. Quantum Sci. Technol. 10, 045076 (2025)
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2058-9565/ae1161/
