Zeitreich. So sieht eine der genauesten Uhren der Welt aus. Kompliziert genug? Die Forscher der Physikalisch-Technischen

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1 Zeitreich So sieht eine der genauesten Uhren der Welt aus. Kompliziert genug? Die Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig haben schon neue Ideen: Optische Uhren. Hier wird nicht ein Quantensprung im Mikrowellenbereich ausgenutzt, sondern Strahlung, die mal schneller schwingt: Licht. 22 / thinkforward /

2 ENERGIENIVEAUS, FONTÄNEN UND ATOMFALLEN ZEIT / Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig hat den Auftrag, die Zeit für Deutschland zu realisieren und zu verbreiten. m / thinkforward / 23

3 Zeitreich KURZ UND KNAPP / Eine Sekunde in 100 Millionen Jahren soviel Aus-Zeit nehmen sich die genauesten Atomuhren der Welt. / Vier dieser Atomuhren stehen in Braunschweig und bestimmen auch den Takt des digitalen Zeitalters. Wie lange ist eine Sekunde? Eine Ewigkeit, sagt der 100-Meter-Sprinter er hat jahrelang trainiert, um eben diese Sekunde weniger für den Lauf zu brauchen. Ein Nichts, sagt der Archäologe er ist schon stolz darauf, Fundstücke ins richtige Jahrzehnt einordnen zu können. Keine Ermessensfrage, sagt der Physiker. Für ihn ist eine Sekunde eine definierte Maßeinheit. Und zwar die wohl am genauesten realisierte weltweit. Da bleibt kein Raum für subjektive Relativierung. Und doch arbeiten Physiker weltweit daran, die Sekunde noch genauer messen zu können. Die Hartnäckigkeit, mit der sie das tun, rührt nicht nur von einem unstillbaren Perfektionismus her. Hier geht es um Grundlagenforschung, um den Willen, die Natur immer besser zu verstehen. Und nicht zuletzt ist die präzise Bestimmung der Zeit auch eine nationale Prestigefrage. Weltweit laufen zwölf hypergenaue primäre Atomuhren quasi in einem Wettlauf um Nanosekunden. Und Deutschland spielt hier ganz vorne mit. Die deutschen Spitzenuhren findet man in Braunschweig, in der Bundesallee 100. Dort, in der sorgfältig von der Umwelt abgeschirmten Uhrenhalle der PTB, leben drei Generationen von Uhren unter einem Dach. Leben ist hier das richtige Wort, obwohl es sich natürlich nur um Gegenstände handelt. Aber die Braunschweiger Uhren leben in zweierlei Hinsicht: Erstens arbeiten sie unermüdlich, und zwar sehr genau, und zweitens werden sie von ihren Betreuern ständig weiterentwickelt, verbessert und verfeinert. Ein unaufhörlicher Reifeprozess ist das, der dazu führt, dass die Zeitmessung immer zuverlässiger und genauer wird. Während früher die Sekunde relativ ungenau als ein bestimmter Teil des Sonnentags oder des Jahres definiert wurde, begann 1967 eine neue Zeitrechnung: Von nun an wurde die Zeiteinheit Sekunde auf eine völlig andere, wesentlich genauere Basis gestellt. Ihre offizielle internationale Definition lautet jetzt: Die Sekunde ist das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung. Ein für den Laien völlig unverständlicher Satz, und doch steckt hinter ihm nicht viel mehr als die Vorschrift, Strahlung, die Cäsiumatome unter bestimmten Bedingungen absorbieren, zur Messung der Sekunde zu verwenden. Strahlung? Für die Sekunde? Wie soll Strahlung eine Zeiteinheit definieren? Nun, man kann sie als elektromagnetische Welle betrachten, die in einem ganz bestimmten Rhythmus schwingt. Also zum Beispiel mal pro Sekunde. Diese spezielle Strahlung entsteht bei einem Naturvorgang: Dann nämlich, wenn ein Cäsiumatom einen Quantensprung macht und von einem angeregten Energiezustand in einen nicht angeregten Zustand springt. Energie kann nicht verschwinden, deshalb gibt das Atom die Differenzenergie in diesem Fall als Mikrowellenstrahlung nach außen ab. Indem man Atomen genau diese Mikrowellenstrahlung zuführt, kann man ein Atom umgekehrt auch auf den höheren Energiezustand heben, während die Strahlung absorbiert wird. Es gibt nichts Exakteres in der Natur als die Frequenz von solchen Quantensprüngen. Eine gute Idee also, sie zur Definition der Zeit zu benutzen. Auf milliardstel Sekunden genau Die praktische Umsetzung dieser Idee geschieht in der Atomuhr. Aus einer Reihe von physikalischen Gründen hat man sich dazu entschieden, Atomuhren mit Cäsium zu betreiben, sagt der PTB-Forscher Andreas Bauch, Leiter der Arbeitsgruppe Zeitübertragung. Die erste Generation von Atomuhren, die so genannten Strahluhren, erzeugen also einen Strahl von Cäsiumatomen und sorgen dann dafür, dass diese beim Durchfliegen des Apparates mit Mikrowellen bestrahlt werden, die genau so beschaffen sind, dass sie die Atome dazu bringen, auf das höhere Energieniveau zu springen. Eine raffinierte Anordnung sortiert dann all diese aus, fängt sie auf und zählt sie. Wenn die Ausbeute maximal ist, entspricht die Mikrowellenstrahlung im Apparat dem atomaren Übergang. Eine Rückkopplung hält die Frequenz der Mikrowelle, die über eine elektronische Schaltung von einem Schwingquarz abgeleitet wird, immer genau auf diesem Wert. 4 FRAGEN AN... Dr. Stefan Weyers, Leiter der Arbeitsgruppe Zeitnormale, PTB Braunschweig Der Nutzen einer einheitlichen Welt-Zeit leuchtet sofort ein. Aber: Muss es auf Nanosekunden genau sein? GPS, Netzwerke, Handys: Sie alle würden ohne eine hochgenaue Taktung nicht zuverlässig funktionieren. Dafür braucht es einen gemeinsamen Nenner, und der ist eben die Zeit. Dafür betreibt die Industrie teilweise eigene Atomuhren, wie sie frei käuflich sind. Nur wer kontrolliert und synchronisiert diese Uhren? Hier kommen die primären, supergenauen Uhren ins Spiel, wie wir sie hier in Braunschweig betreiben. Daneben liefern wir auch einen wichtigen Beitrag zur Grundlagenforschung in der Physik. Wir helfen der Scientific Community dabei, die Natur noch besser zu 24 / thinkforward /

4 DIE SEKUNDE IST DAS FACHE DER PERIODENDAUER DER DEM ÜBERGANG ZWISCHEN DEN BEIDEN HYPERFEINSTRUKTUR - NIVEAUS DES GRUND - ZUSTANDES VON ATOMEN DES NUKLIDS 133CS ENTSPRECHENDEN STRAHLUNG. Von diesem Schwingquarz greift man gleichzeitig auch die Normalfrequenz ab, die der Nutzer der Uhr entsprechend seiner Anwendung weiterverarbeiten kann. Ein Teiler sorgt zuletzt für ein Signal von einem Puls pro Sekunde die Uhr tickt. Die in Braunschweig gebauten Atomuhren dieses Typs liefern die Sekunde auf ein bis drei milliardstel Sekunden pro Tag genau. Zum Vergleich: Eine Quarzarmbanduhr irrt sich pro Monat um ein paar Sekunden, mechanische Armbanduhren und seien sie noch so edel vertun sich um ein Vielfaches mehr! Eine der wichtigsten Eigenschaften jeder Atomuhr ist ihre Länge. Denn je länger sich ein Atom im Mikrowellenfeld aufhält, desto genauer wird die Messung seiner Übergangsfrequenz. Dies technisch herzustellen ist aber gar nicht so einfach. Deshalb wendet man heute einen Trick an, den der amerikanische Physiker Norman F. Ramsey erfand er erhielt 1989 dafür den Nobelpreis. Es genügt, so fand Ramsey, dass das Atom nur am Anfang und am Ende seines Flugs mit Mikrowellen bestrahlt wird. Ein entsprechendes Phänomen haben Sie auch, wenn Sie den Gang zweier Uhren vergleichen wollen, erklärt Andreas Bauch, Sie können sie beispielsweise fünf Minuten lang gleichzeitig beobachten. Im Grunde genügt es aber, wenn Sie die beiden Uhren am Anfang und am Ende der Beobachtungszeit vergleichen. Sie erhalten dann dasselbe Ergebnis. Je mehr Zeit zwischen den beiden Vergleichen verstreicht, desto genauer wird die Messung. Deshalb macht man das luftleer gepumpte Rohr, in dem die Atome entlang fliegen, möglichst lang und bestrahlt sie nur am Anfang und Ende mit der Mikrowelle. Die ältesten beiden PTB-Atomuhren, CS1, die seit 1969 ununterbrochen läuft, und ihre Schwester CS2 waren viele Jahre lang die genauesten der Welt. Sie haben eine Länge von je etwa einem Meter. Noch längere Uhren zu bauen, würde zwar die Flugzeit der Atome verlängern, bringt aber so viele technische Probleme, dass man diesen Weg nicht weiter verfolgte. Um die Genauigkeit der Atomuhren weiter zu steigern, musste man sich also ein ganz neues Design ausdenken. So entstanden in den 90er Jahren die Cäsium-Fontänen nach einer Idee von Jerrold Zacharias, Forscher am Massachusetts Institute of Technology. verstehen. So können wir z.b. mit unseren Uhren wichtige Aussagen darüber machen, ob bestimmte Naturkonstanten wirklich konstant sind. Zeit ist doch immer relativ wie können Sie also behaupten, mit die genauesten Uhren überhaupt zu betreiben? Sie haben Recht: Nach Einsteins Relativitätstheorie realisiert jede Uhr zunächst einmal nur ihre so genannte Eigenzeit sie stimmt also für mich nur, wenn ich daneben stehe. Eine Uhr auf einer anderen Meereshöhe oder eine, die sich bezogen auf mich bewegt, wird für mich anders, d.h. etwas falsch laufen. Die Relativitätstheorie liefert uns das Werkzeug, die notwendigen Korrekturen zu berechnen. Grundlage für diese Berechnung sind aber gemessene Größen: In diesem Fall die Meereshöhe bzw. die Geschwindigkeit der Uhr. Gemessene Größen haben immer eine Messunsicherheit, die im Ergebnis die Unsicherheit oder, mehr umgangssprachlich, die Genauigkeit der Uhr ausmacht. Man bekommt daher immer nur eine Annäherung ans Ideal unendliche Genauigkeit gibt es bei Uhren nicht. Deshalb ist es auch wichtig, für die Weltzeit UTC laufend die besten Uhren auf der ganzen Erde zu vergleichen. UNENDLICHE GENAUIGKEIT GIBT ES BEI UHREN NICHT. Klar: Eine Funkuhr gibt es inzwischen in fast jedem Haushalt. Aber steigt die Nachfrage nach dem supergenauen Zeittakt aus Braunschweig auch in der Industrie? Definitiv ja. Viele Techniken und Prozesse brauchen eine genaue Zeitskala. Und weil die Technisierung unseres Lebens in allen Bereichen weiter zunimmt, wird unsere Arbeit immer wichtiger. Nicht ohne Grund haben wir hier bei der PTB den gesetzlichen Auftrag, die Zeit für Deutschland zu realisieren und zu verbreiten. Und wir sind stolz darauf, wohl eine der besten Zeitskalen der Welt zu liefern. Wann, würden Sie sagen, ist man als Physiker am Ziel, wenn man sich mit der Zeit befasst? Wenn die Fantasie erlahmt, wo sich weitere Fehlerquellen verbergen und wie sie sich kontrollieren lassen. Aber seien Sie versichert: Das wird unter Metrologen kaum jemals vorkommen. m / thinkforward / 25

5 Gangfehler in s/tag 10-8 Atomuhr Zeit-Fontäne Pendeluhr Räderuhr Quarzuhr Jahr Wie ihr Name schon sagt, arbeitet die zweite Generation von Atomuhren wie ein Springbrunnen, allerdings nicht mit Wasser, sondern mit Cäsiumatomen. Die Fontäne wirft sie nach oben, dort kehren sie am Scheitelpunkt um und fallen unter dem Einfluss der Schwerkraft wieder zurück zum Boden, erklärt Dr. Stefan Weyers, Leiter der Arbeitsgruppe Zeitnormale, das Grundprinzip. Die Zeit, die sie für diesen Weg benötigen, ist wesentlich länger als die kurze Flugzeit durch eine normale Atomuhr. So kann man auf geschickte Weise das Intervall zwischen den beiden Messungen verlängern, ohne dass man meterlange Rohre benötigt. Was so einfach klingt, erfordert in der Praxis höchste Experimentierkunst. Denn normalerweise fliegen Atome schnell und wild durcheinander und benehmen sich keineswegs so gesittet, wie man es für eine Fontänenuhr braucht. In den 80er Jahren gelang es jedoch einigen Forschern in verschiedenen Labors auf der Welt, Atome mit Laserlicht so zu manipulieren, dass man sie auf tiefste Temperaturen abkühlen konnte. Bald war das Verfahren so weit ausgereift, dass man es auch für Präzisionsmessungen anwenden konnte, etwa in der Cäsium-Fontäne. Dort werden etwa einmal pro Sekunde ein paar Millionen Atome aus einem Cäsiumdampf herausgefangen und abgekühlt, bis sie wie ein Schwarm winzigster Hummeln mit nur wenigen Zentimetern pro Sekunde in einem Volumen von lediglich einem Kubikzentimeter umherschwirren. Dieser kleinen, superkalten Atomwolke gibt nun der Laser einen Schubs nach oben. Auf ihrem Weg durchfliegt sie das Mikrowellenfeld, und auf dem Rückweg nach knapp einer Sekunde wieder. Die Flugzeit ist damit wesentlich länger als bei konventionellen Atomuhren, und damit auch die Genauigkeit: Mit ihren zwei ersten Cäsium-Fontänen haben die Braunschweiger Wissenschaftler extrem geringe Gangunsicherheiten von weniger als 1 x erreicht. Sie konnten auch nachweisen, dass sich die Sekunden ihrer Fontänen von denjenigen des amerikanischen National Institute of Standards and Technology NIST in Boulder, Colorado, um höchstens 1 x Sekunden unterscheiden. Sieht eine normale Atomuhr schon sehr knifflig aus, so wird sie von der Komplexität einer Fontäne noch bei weitem übertroffen. Hunderte von Linsen, Blenden, Strahlteilern und anderen optischen Elementen sind auf einem optischen Tisch millimetergenau montiert. Sie müssen exakt funktionieren, damit die Laserstrahlen all das tun, was sie sollen, und zwar immer im genau richtigen Augenblick. Im luftleer gepumpten Hauptgefäß (dem so genannten Vakuum-Rezipienten) laufen sie schließlich zusammen und kontrollieren, kühlen und messen die Cäsiumatome. Hinzu kommen Magnetspulen, Pumpen, Mikrowellenleiter und eine Unzahl elektronischer Elemente. Kein Wunder, dass es nur zehn dieser Wunderwerke auf der Welt gibt. Lichtgestalt Noch komplizierter ist aber die Uhr der Zukunft, die jüngste Generation, die gleich nebenan in der Uhrenhalle aufgebaut wird: Um noch genauer messen zu können, wollen die Physiker hier nicht einen Quantensprung im Mikrowellenbereich ausnutzen, sondern einen, dessen Strahlung noch mal schneller schwingt, nämlich einen mit Licht. Deshalb heißen diese Zeitmesser auch optische Uhren. Um sie zu realisieren, bewegen sich die PTB-Forscher wieder an der vordersten Front der Wissenschaft. Denn erst seit wenigen Jahren kann man Lasersysteme mit den speziell geforderten Eigenschaften bauen, erzählt Christian Tamm, Spezialist für optische Uhren. Da ist zunächst einmal ein Laser mit extrem hoher Kurzzeitstabilität, mit dem die PTB-Forscher ein Ytterbium-Ion anregen, das sie vorher in einer Ionenfalle gespeichert und fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt haben. Analog zum Prinzip der Atomuhr versuchen sie dann, die Frequenz dieses Lasers in einem Regelkreis zu stabilisieren. Anschließend wird sie mit Hilfe eines so genannten Frequenzkamm- Generators in Mikrowellen übersetzt, und hierfür braucht man als zentrale Komponente einen Femtosekunden-Laser. Gegenwärtig ist die optische Uhr schon genauer als eine Cäsium-Fontänenuhr, nur noch nicht ganz so einfach zu bedienen und langzeitstabil. Die Braunschweiger Physiker arbeiten daran, die Genauigkeit noch erheblich zu steigern und letztlich 100fach genauer zu werden, als es mit der Cäsium-Fontänenuhr heute möglich ist. Wie lange ist also eine Sekunde? Bald werden die Braunschweiger Meteorologen also eine unerreicht genaue Antwort darauf haben. Und so die Nase im internationalen Zeitwettstreit weiter mit ganz vorne behalten. / ONLINE Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig Astronomische Zeitmessmethoden Informationen der internationalen Behörde BIPM zur Atomzeit und zur Weltzeit UTC Optische Uhr genauer als Cäsium-Atomuhr 26 / thinkforward /

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