„Tickende“ Ionen: Eine neue Messmethode könnte optische Atomuhren noch präziser machen und damit die Neudefinition der Zeiteinheit Sekunde voranbringen. Im Zentrum steht dabei ein einzelnes Strontium-Ion, dessen Quantensprung als Thermometer für die thermische Störstrahlung in der Atomuhr dient. Den Physikern gelang es so, das „Ticken“ dieser Atomuhr mit dreifach höherer Präzision zu messen als bisher. Das ebnet den Weg zu optischen Frequenzübergängen als künftiger Basis für die Sekunde.
Seit 1967 bilden Cäsium-Atomuhren die Basis für unsere Zeitmessung. Eine Sekunde ist seitdem offiziell als die Frequenz definiert, bei der ein mittels Mikrowellen angeregtes, ultrakaltes Cäsiumatom in den angeregten Zustand übergeht. Damit gibt eine physikalische Naturkonstante den Takt unserer Zeit vor.
Inzwischen gibt es jedoch optische Atomuhren, die deutlich genauer gehen als die Cäsium-Uhren. Sie nutzen statt der Mikrowellen das sichtbare Licht, um den Quantensprung der Atome auszulösen und zu messen. Die kurzwelligeren Schwingungen des Lichts erhöhen die zeitliche Auflösung der Messung und machen diese Strontium– und Ytterbium-Atomuhren so präzise, dass sie die von Einstein vorhergesagte Zeitdehnung durch Schwerkraft sogar in kleinsten Maßstäben messen können.
Das Problem der thermischen Störstrahlung
Theoretisch wäre damit die Zeit reif, um künftig diese optischen Atomuhren als Basis für die Zeitmessung und die Definition der Sekunde zu nutzen. Doch es gibt einen Haken: In den ultrakalten Atom- und Ionenwolken dieser Uhren können schon geringste Mengen an Wärmestrahlung die Frequenz des Quantensprungs verschieben – und die Uhr damit ungenau machen. Gerade bei den besonders präzisen Atomuhren mit Ionen ist jedoch die Ionenfalle, die die ultrakalten Strontium- oder Ytterbium-Ionen an ihrem Platz hält, eine Quelle solcher Wärmestrahlung.
