Atomuhren rücken dank neuer physikalischer Durchbrüche näher an die Realität heran.

Kernuhren sind genauer als Atomuhren.

Die Kernuhr gilt als weitaus leistungsfähiger als die Atomuhr, die die Dauer einer Sekunde durch Energiesprünge in den Elektronen von Atomen bestimmt und derzeit den Höhepunkt der Zeitmessung darstellt.

Jüngst haben Forscher jedoch eine Technik entwickelt, die diese Präzision verbessern kann, indem sie Schwingungen in einem noch schwierigeren Ziel auslöst und misst: dem Atomkern (dem Zentrum eines Atoms).

So funktioniert eine Atomuhr: Wissenschaftler messen die Frequenz von Energieimpulsen, die auf den Atomkern einwirken, indem sie die Wellenlängen des UV-Signals zählen. Diese Wellenlängen können die Kernübergänge zu höheren Frequenzen anregen und so eine präzisere Zeitmessung ermöglichen. Bild: National Institute of Standards and Technology

Für die Atomuhr nutzten Wissenschaftler ultraviolettes Licht, um die Atomkerne eines Thorium-229-Atoms in einem Festkörperkristall anzuregen. Anschließend maßen sie die Frequenz der auf den Atomkern treffenden Energieimpulse – vergleichbar mit einem Pendel in einer herkömmlichen Uhr – und zählten die Wellenlängen des UV-Lichts mithilfe eines optischen Frequenzkamms.

Die Erzeugung von Energiesprüngen in Atomkernen erfordert ein deutlich höherfrequentes Signal als das für Atomuhren verwendete. Durch die höhere Anzahl an Wellenzyklen pro Sekunde verspricht das Verfahren präzisere Zeitmessungen.

Obwohl die Entwicklung der Atomuhr noch nicht abgeschlossen ist, ist man sich bewusst, dass sie nicht nur die Zeitmessung, sondern auch die physikalische Forschung revolutionieren und sogar Einfluss auf die Art und Weise nehmen könnte, wie Wissenschaftler die Struktur des Universums untersuchen.

Der Prototyp ist bereits so genau wie eine Atomuhr, und zukünftige Versionen sollen laut einer am 4. September in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie noch genauer und stabiler sein.

„Es gibt einige Faktoren, die wir nutzen können, um die Genauigkeit zu verbessern“, sagte der Hauptautor Chuankun Zhang, ein Doktorand am JILA, einem Forschungszentrum, das von der University of Colorado Boulder und dem National Institute of Standards and Technology finanziert wird.

Physikalische Revolution?

Atomuhren sind bekanntlich deutlich genauer als herkömmliche Uhren. Seit Jahrzehnten werden sie in der GPS-Technologie für die Weltraumforschung und die internationale Zeitmessung eingesetzt.

Darüber hinaus haben die Präzision und Stabilität von Atomuhren den Wissenschaftlern wichtige Instrumente zur Erforschung von Erdbeben, Gravitationsfeldern und der Raumzeit geliefert.

Um die Atomuhr zum Laufen zu bringen, nutzten Wissenschaftler ultraviolettes Licht, um die Atomkerne von Thorium-229-Atomen anzuregen. Foto: JILA

Allerdings sind auch Atomuhren anfällig für Desynchronisation. Elektromagnetische Störungen können angeregte Elektronen beeinträchtigen und die Genauigkeit der Zeitmessung beeinflussen, erklärt Zhang.

„Diese Bereiche werden wahrscheinlich ‚angestoßen‘“, sagte Dr. Olga Kocharovskaya, emeritierte Professorin für Physik an der Texas A&M University, die nicht an der Forschung beteiligt war.

Nuklearuhren seien nicht nur genauer, sondern auch einfacher und portabler, fügte sie hinzu, da sie im Gegensatz zu Atomuhren keine Hochvakuumbedingungen, extreme Kühlung oder Abschirmung gegen magnetische und elektrische Störungen benötigten.

Laut Wissenschaftlern müssen zwar noch viele Faktoren erfüllt werden, bevor Kernuhren die Leistung von Atomuhren übertreffen oder diese ersetzen können, doch diese Erkenntnisse zeigen, dass dieser Zeitpunkt nicht mehr fern ist.

Ha Trang (laut CNN)

Quelle: https://www.congluan.vn/dong-ho-hat-nhan-den-gan-thuc-te-nho-nhung-dot-pha-vat-ly-moi-post312059.html