Atomuhr

Eine Atomuhr ist eine Uhr, die mit der Schwingung eines atomaren Überganges synchronisiert ist. Da die Frequenz eines solchen Überganges konstant ist und sehr genau bestimmt werden kann, sind Atomuhren die bislang genauesten gebauten Uhren.

Als atomarer Übergang wird häufig der Hyperfeinstruktur-Übergang F=4, m_F=0 → F=3, m_F=0 des ²S_1/2-Grundzustandes eines ¹³³Cäsium-Atomes verwendet. Dieser Übergang hat eine Frequenz von 9,192631770 GHz. 1967 wurde die SI-Einheit Sekunde über diesen Wert festgelegt.

Solange die Temperatur des Cäsiums nicht extrem niedrig ist (in der Größenordnung 1mK) sind beide Zustände etwa gleich besetzt. Um den Übergang messen zu können, muss einer der Zustände selektiert werden. Das geschieht entweder dadurch, dass man einen Atomstrahl durch ein starkes, inhomogenes Magnetfeld schickt, oder durch optisches Pumpen mit Laserlicht.

Der zweite Hauptbestandteil einer Atomuhr ist ein Mikrowellenresonator, in dem Übergänge zwischen den beiden Zuständen stattfinden können. Wenn die Frequenz des Mikrowellenresonators mit der Übergangsfrequenz übereinstimmt, erhält man ein Signal-Maximum.

Neben Cäsium werden auch Rubidium, Wasserstoff und andere Atome oder Moleküle für Atomuhren verwendet. Die entwicklung von Atomuhren geht in zwei Richtungen - einmal preiswertere, kleinere, energiesparende für z.B. den Einsatz in Satelliten, zum anderen in noch genauere Uhren um physikalische Experimente genauer durchführen zu können.

In Deutschland sind mehrere Atomuhren bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig in Betrieb. Von dort erhalten in Mitteleuropa alle Funkuhren, über den Sender DCF77 ihr Signal.

Satellitennavigationssyteme wie GPS oder (zukünftig) Galileo benutzen Atomuhren ihren Satelliten um durch ihre hochgenaue Zeit die Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen, dabei stellen sich andere Anforderungen an Gewicht und Größe der Atomuhr.

Geschichte:

• 1930er Isidor Isaac Rabi, Chemiker und Physiker forscht an der Columbia University, USA an den magnetischen Eigenschaften der Kristallen.
• 1944 I.I. Rabi (USA) bekommt den Nobelpreis für Physik "für die von ihm zur Aufzeichnung der magnetischen Eigenschaften von Atomkernen entdeckte Resonanzmethode"
• 1945 I.I. Rabi, Physik Professor an der Columbia University in der USA schlägt eine Uhr vor, die diese Resonanzmethode nutzt.(1)
• 1949 Die erste Atomuhr wird mit Rabis Technik durch das National Institute of Standards and Technology, (NIST) in der USA gebaut und verwendet Ammoniak Moleküle als Schwingungsquelle. (1)
• 1955 Die erste Cäsium basierte Atomuhr wird vom national Laboratorium in Teddington, England in Betrieb genommen.(1)
• 1958 Die ersten kommerziellen Cäsium Atomuhren kommen zum Preis von US-$20,000 auf den Markt.
• Oktober 1967 Die Sekunde wird international über das Cäsiumnormal durch die 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht definiert.
• 1969 An der PTB in Deutschland wird die erste Atomuhr, CS1 (Caesium-Eins) wird in Betrieb genommen.
• Juli 1974 Der erste Satellit hat eine Atomuhr an Board, es ist der dritte Satellit des Timation (Time Navigation) Projektes des Naval Center for Space des Naval Research Laboratory, (NRL) in der USA und wird geleitet vom Roger Easton. Dies ist ein Vorläuferprojekt des GPS projektes. (2)
• 22.02. 1978 Der erste Navstar/GPS Satellit wird mit einer "Atlas F" Rakete in der USA gestartet.
• 1999 Eine Atomuhr der neuesten Generation (Caesium-Fontäne) wird an der PTB in Betrieb genommen.

Quellen:
(1):http://www.boulder.nist.gov/timefreq/cesium/atomichistory.htm
(2):http://www.aero.org/publications/crosslink/summer2002/01.html