Atomuhr
Eine Atomuhr ist eine Uhr, die ihren Zeittakt aus bestimmten Atom-Schwingungen bezieht. Da die Frequenz solcher Schwingungen konstant ist und sehr genau bestimmt werden kann, sind Atomuhren die bislang genauesten gebauten Uhren.
Funktionsweise einer Atomuhr
Als atomarer Übergang wird häufig der Hyperfeinstruktur-Übergang F=4, mF=0 → F=3, mF=0 des 2S1/2-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. Nach der Wechselwirkung mit dem Mikrowellenfeld wird schließlich die Besetzung des anfangs ausselektierten Zustands gemessen. Wenn die Frequenz des Mikrowellenresonators mit der Übergangsfrequenz übereinstimmt, erhält man ein Signal-Maximum.
In neueren Atomuhren arbeitet man mit langsameren Cäsium-Atomen, um die Genauigkeit zu erhöhen. In der "Cäsium-Fontäne" werden Cäsiumatome zunächst stark abgekühlt, so dass sie nur noch etwa einen Zentimeter pro Sekunde schnell sind. (Im thermischen Atomstrahl sind es etwa 100 Meter pro Sekunde.) Die langsamen Atome werden dann mit einem Laser nach oben beschleunigt und durchlaufen eine ballistische Flugbahn (deswegen der Ausdruck Cäsium-Fontäne), hierdurch kann die effektive Wechselwirkungsdauer der Atome mit den eingestrahlten Mikrowellen verlängert werden, was eine exaktere Frequenzbestimmung erlaubt. Die Gangunsicherheit einer herkömmlichen Atomuhr beträgt etwa 1·10-14, die einer Cäsium-Fontäne liegt nur bei etwa 1·10-15.
Neben Cäsium werden auch Rubidium, Wasserstoff und andere Atome oder Moleküle für Atomuhren verwendet.
Um größere Genauigkeiten zu erreichen, was erstrebenswert ist, um physikalische Experimente genauer durchführen zu können, werden zur Zeit Experimente mit Elementen gemacht, die geeignete Übergänge bei optischen Wellenlängen haben. Hierdurch erreicht man Frequenzen von hunderten Terahertz an Stelle der herkömmlichen 10 GHz.
In Deutschland sind mehrere Atomuhren bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig in Betrieb, darunter auch eine Cäsium-Fontäne im Regelbetrieb. Von dort erhalten in Mitteleuropa alle Funkuhren, über den Sender DCF77 ihr Signal.
Eine andere Entwicklungslinie neben den hochpräzisen Uhren verfolgt den Bau preiswerterer, kleinerer, leichterer und energiesparenderer Uhren, z.B. für den Einsatz in Satelliten. Satellitennavigationssyteme wie GPS oder (zukünftig) Galileo benutzen Atomuhren in ihren Satelliten, um durch ihre hochgenaue Zeit die Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen.
Geschichte:
- 1930er Isidor Isaac Rabi, Chemiker und Physiker forscht an der Columbia University, USA an den magnetischen Eigenschaften der Kristalle.
- 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, Physikprofessor 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 den 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), in Betrieb genommen.
- Juli 1974 Der erste Satellit hat eine Atomuhr an Bord, 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 den USA gestartet.
- 1999 Eine Atomuhr der neuesten Generation (Cäsium-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