Eine Atomuhr ist eine Uhr, deren Zeittakt (meist ein Mikrowellensignal) mit atomaren Schwingungszuständen abgeglichen wird. Da die Frequenz solcher Schwingungen konstant ist und sehr genau bestimmt werden kann, sind Atomuhren die bislang genauesten Uhren.
Aus den Messwerten von über 260 Atomuhren an über 60 weltweit verteilten Instituten legt das „Bureau International des Poids et Mesures“ (BIPM) in Paris (Frankreich) die „Internationale Atomzeit“ (TA) als Referenzzeit fest.
Funktionsweise einer Atomuhr
Um die Zeitmessung so weit wie möglich zu präzisieren, werden in Atomuhren die extrem feinen Energieunterschiede zwischen den Zuständen der Zeemann-Niveaus der Hyperfeinstruktur genutzt – herkömmlicherweise die Frequenz des Übergangs zwischen zwei speziellen Zuständen des 133Cäsium-Atomes. Dieser Übergang hat eine Frequenz von 9,192631770 GHz.
Über diesen Wert ist seit 1967 auch die Zeiteinheit Sekunde festgelegt (siehe Internationales Einheitensystem).
Hauptbestandteil einer Atomuhr ist ein Mikrowellenresonator, in dem die Übergänge zwischen zwei Hyperfeinstrukturkomponenten des Cäsium-Atoms induziert werden. Wenn die Frequenz des Mikrowellenresonators mit der Larmorfrequenz Δν = ΔE / h des Übergangs übereinstimmt, erhält man ein Signal-Maximum am Detektor. Abweichungen von der Frequenz werden über eine Änderung des Signals am Detektor detektiert und über einen Regelkreis eine Änderung der Mikrowellenfrequenz bewirkt. So ist der Aufbau selbstregulierend.
Der Gangunterschied einer herkömmlichen Atomuhr beträgt etwa 10−14 (eine Sekunde Abweichung in drei Millionen Jahren).
Einsatz von Atomuhren
In Deutschland sind mehrere Atomuhren bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig in Betrieb, darunter auch eine „Cäsium-Fontäne“ (s. unten) im Regelbetrieb.
In der Schweiz betreibt das Labor für Zeit und Frequenz der METAS mehrere Atomuhren, mit der die schweizerische Atomzeit TAI(CH) geführt und die schweizerische Weltzeit UTC(CH) errechnet wird. Diese Zeit können Funkuhren über den Zeitzeichensender HBG beziehungsweise Computer über das NTP (ntp.metas.ch) empfangen.
Ebenfalls werden Automuhren in den GPS Satelliten zur genauen Laufzeitmessung zum GPS Empfänger verwendet
Neuere Entwicklungen
Hochpräzise Atomuhren
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. 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. Der Gangunterschied einer Cäsium-Fontäne liegt bei etwa 1·10−15 (eine Sekunde Abweichung in 30 Millionen Jahren).
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 9 GHz. In diesen Experimenten werden einzelne Ionen in einer Paul-Falle gespeichert und ein Laser wird auf einen schmalbandigen Übergang (meist ein Quadrupol- oder Oktupolübergang) stabilisiert. Die technische Herausforderung dabei ist es, die hochstabile Laserfrequenz auf elektronisch messbare Frequenzen herunter zu dividieren. Hierzu wurde am Max-Planck-Institut für Quantenoptik ein Verfahren entwickelt (Frequenzkamm).
Kleinformatige Atomuhren für die praktische Anwendung
Eine andere Entwicklungslinie neben den hochpräzisen Uhren verfolgt den Bau preiswerterer, kleinerer, leichterer und energiesparenderer Uhren, z. B. für den Einsatz in Satelliten, Raketen oder Drohnen. Satellitennavigationssysteme wie GPS, GLONASS oder (zukünftig) Galileo benutzen Atomuhren in ihren Satelliten, um durch ihre hochgenaue Zeit die Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen. Im Jahr 2003 ist es gelungen, eine Rubidiumatomuhr zu bauen, die nur ein Volumen von 40 cm3 einnimmt und eine Leistung von einem Watt verbraucht. Dabei erreicht sie eine Gangunsicherheit von ca. 3·10−12. Das entspricht einer Abweichung von einer Sekunde in 10.000 Jahren, und damit ist die Uhr zwar deutlich ungenauer als die großen stationären Atomuhren, aber erheblich genauer als eine Quarzuhr. (Genaue Quarzuhren haben eine Abweichung von einer Sekunde in einem Monat, verglichen mit diesen ist diese kleine Atomuhr 120.000 mal genauer.)
Anwendungsgebiete
Atomuhren dienen zum Einen der exakten Zeitmessung von Abläufen, zum Anderen der genauen Zeitbestimmung und der Koordinierung verschiedener Zeitsysteme und -skalen. So entsteht etwa durch Abgleich der international bestimmten Atomzeit (TAI) mit der astronomischen Zeit (UT1) die Koordinierte Weltzeit (UTC). Verschiedenfach greifen Ampelschaltungen auf die Atomuhr als Zeitgeber zurück.
In Mitteleuropa erhalten Funkuhren über den in Deutschland stationierten Sender DCF77 oder den in der Schweiz stationierten Sender HBG ihr Signal. Das britische Pendant ist der Sender MSF60.
Im Internet werden die Zeitimpulse zahlreicher Atomuhren mittels Network Time Protocol (NTP) zur Verfügung gestellt.
Eine Rubidium-Atomuhr dient in Donebach als Oszillator zur Erzeugung der Trägerfrequenz des dort befindlichen Langwellenrundfunksenders.
Geschichte
1930er Isidor Isaac Rabi, Chemiker und Physiker forscht an der Columbia University, USA an den magnetischen Eigenschaften der Kristalle.
1944 I. I. Rabi bekommt den Nobelpreis für Physik „für die von ihm zur Aufzeichnung der magnetischen Eigenschaften von Atomkernen entdeckte Resonanzmethode“
1945 I. I. Rabi, mittlerweile Physikprofessor an der Columbia University, schlägt eine Uhr vor, die diese Resonanzmethode nutzt.
1946 Willard Frank Libby stellt eine Atomuhr auf der Basis von Cäsium-Atomen vor.
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.
1955 Die erste Cäsium-basierte Atomuhr wird vom National Laboratorium in Teddington, England in Betrieb genommen.
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 (CGPM) definiert.
1969 An der PTB in Deutschland wird die erste Atomuhr, CS1 (Caesium-Eins), in Betrieb genommen.
Oktober 1971 Die Notwendigkeit der Definition einer „International Atomic Time“ TAI als Referenz wird durch die 14. Generalkonferenz für Maß und Gewicht festgestellt. Die TAI wird durch das BIPM in Paris verwaltet und tritt am 1. Januar 1972 in Kraft.
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.
22. Februar 1978 – Der erste Navstar/GPS-Satellit wird mit einer „Atlas F“-Rakete von der USA gestartet.
12. Oktober 1982 – Der erste GLONASS Satellit wird von der UdSSR gestartet.
1999 Eine Atomuhr der neuesten Generation (Cäsium-Fontäne) wird an der PTB in Betrieb genommen.
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