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Erste optische Atomuhr mit hochgeladenen Ionen Wie genau kann Zeit sein?

Von Erika Schow*

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Was alltagstaugliche Armbanduhren messen, reicht für Grundlagenforschung an den Grenzen des Standardmodells der Physik nicht aus. Hier braucht es hochpräzise Atomuhren. Eine neue Art solcher Zeitmesser haben nun Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt mithilfe von hochgeladenen Ionen realisiert.

Künstlerische Darstellung der Laserabfrage eines hochgeladenen Uhren-Ions
Künstlerische Darstellung der Laserabfrage eines hochgeladenen Uhren-Ions
(Bild: PTB)

Optische Atomuhren sind die genauesten je gebauten Messgeräte und sind inzwischen zu einer Schlüsseltechnik in der Grundlagen- und der angewandten Forschung geworden. Jetzt haben Forscher des QUEST-Instituts in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) mit Kollegen von weiteren Instituten zum ersten Mal eine optische Atomuhr realisiert, die auf hochgeladenen Ionen basiert.

Hochgeladene Ionen sind eine weit verbreitete Form der Materie im Kosmos, wo sie beispielsweise in der Sonne oder anderen Sternen vorkommen. Sie heißen so, weil sie viele Elektronen verloren haben und daher eine hohe positive Ladung aufweisen. Deswegen sind ihre äußeren Elektronen stärker am Atomkern gebunden als in neutralen oder schwach geladenen Atomen. Aus diesem Grund reagieren hochgeladene Ionen weniger stark auf Störungen durch äußere elektromagnetische Felder.

Die hochgeladenen Ionen können aber als eine empfindliche Sonde für fundamentale Effekte der speziellen Relativitätstheorie, der Quantenelektrodynamik und des Atomkerns dienen. „Daher erwarteten wir, dass eine optische Atomuhr mit hochgeladenen Ionen uns hilft, diese grundlegenden Theorien besser zu testen“, erläutert Lukas Spieß, Physiker an der PTB. Diese Hoffnung hat sich bereits erfüllt: „Wir konnten den quantenelektrodynamischen Kernrückstoß, eine wichtige theoretische Vorhersage, in einem Fünf-Elektronen-System nachweisen, was zuvor in keinem anderen Experiment gelungen ist“, sagt Spieß.

Heiße Teilchen rapide kühlen

Zuvor hatte das Team in jahrelanger Arbeit einige grundlegende Probleme lösen müssen, wie die Detektion und das Kühlen: Für Atomuhren muss man die Teilchen extrem herunterkühlen, um sie möglichst zum Stillstand zu bringen und so in Ruhe ihre Frequenz auszulesen. Hochgeladene Ionen aber werden produziert, indem man ein extrem heißes Plasma erzeugt. Aufgrund ihrer extremen Atomstruktur kann man hochgeladene Ionen nicht direkt mit Laserlicht kühlen, und auch übliche Detektionsverfahren sind nicht anwendbar.

Das Kühl- und Detektionsproblem wurde durch eine Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg (MPIK) und dem QUEST-Institut an der PTB gelöst, indem ein einzelnes hochgeladenes Argon-Ion aus einem heißen Plasma isoliert und zusammen mit einem einfach geladenen Beryllium-Ion in einer Ionenfalle gespeichert wurde. Das erlaubt es, das hochgeladene Ion indirekt zu kühlen und mithilfe des Beryllium-Ions zu untersuchen. Für die folgenden Experimente wurde ein kryogenes Fallensystem gebaut. Anschließend gelang es durch einen in der PTB entwickelten Quantenalgorithmus, das hochgeladene Ion noch weiter zu kühlen, nämlich nahe an den quantenmechanischen Grundzustand. Das entsprach einer Temperatur von 200 millionstel Kelvin oberhalb des absoluten Nullpunkts. Diese Ergebnisse wurden bereits 2020 in Nature und 2021 in Physical Review X veröffentlicht.

Extrem exakt

Jetzt ist den Forschern der nächste Schritt gelungen: Sie haben eine optische Atomuhr basierend auf dreizehnfach geladenen Argon-Ionen realisiert und das Ticken mit der bestehenden Ytterbium-Ionen-Uhr an der PTB verglichen. Dazu mussten sie das System genaustens analysieren, um beispielsweise die Bewegung des hochgeladenen Ions und Effekte äußerer Störfelder zu verstehen. Dabei wurde eine Messunsicherheit von zwei Teilen in 1017 erreicht, was vergleichbar mit vielen aktuell betriebenen optischen Atomuhren ist. „Wir erwarten eine weitere Reduktion der Unsicherheit durch technische Verbesserungen, was uns in den Bereich der besten Atomuhren bringen sollte“, sagt Prof. Piet Schmidt, der die Forschungsgruppe leitet.

Zahlen: Wie genau ist die neue optische Atomuhr?

Laut den Forschern erreicht die neue Atomuhr eine Messunsicherheit von zwei Teilen in 1017. Wie extrem genau die Uhr damit ist, veranschaulicht der folgende Vergleich: Wenn jedes Ticken der Atomuhr eine Sekunde dauern würde, wäre sie nur etwa alle 16.000.000.000 Jahre einmal aus dem Takt. Es bräuchte also etwa dreieinhalb Mal so lange, wie die Erde existiert, bis die Uhr um eine Sekunde falsch geht.

Übrigens: Zeit kann nicht beliebig kurz sein. Die kleinstmögliche Zeiteinheit ist die so genannte Planck-Zeit. Unterhalb dieser Grenze verlieren die uns bekannten Gesetze der Physik ihre Gültigkeit. Der berechnete Wert der Planck-Zeit beträgt etwa 5,4·10-44 Sekunden.

Messinstrument zur Untersuchung von Feinstrukturkonstante und dunkler Materie

Damit haben die Forscher neben den existierenden optischen Atomuhren auf der Basis etwa einzelner Ytterbium-Ionen oder neutraler Strontium-Atome ein weiteres System zur Realisierung einer hochpräzisen optischen Atomuhr geschaffen. Die angewandten Methoden sind universell einsetzbar und erlauben es, viele verschiedene hochgeladene Ionen zu untersuchen. Darunter fallen auch atomare Systeme, mit denen man nach Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik suchen kann. Andere hochgeladene Ionen sind besonders empfindlich gegenüber Änderungen der Feinstrukturkonstante und gegenüber bestimmten Kandidaten dunkler Materie, die in Modellen jenseits des Standardmodells gefordert werden, aber mit bisherigen Methoden nicht nachgewiesen werden konnten.

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Originalpublikation: S. A. King, L. J. Spieß, P. Micke et al: An optical atomic clock based on a highly charged ion, Nature 611, pages 43–47 (2022); DOI: 10.1038/s41586-022-05245-4

Weitere Literatur:

Micke, P., Leopold, T., King, S.A. et al.: Coherent laser spectroscopy of highly charged ions using quantum logic, Nature 578, 60–65 (2020); DOI: 10.1038/s41586-020-1959-8

Steven A. King, Lukas J. Spieß, Peter Micke, Alexander Wilzewski, Tobias Leopold, José R. Crespo López-Urrutia, and Piet O. Schmidt: Algorithmic Ground-State Cooling of Weakly Coupled Oscillators Using Quantum Logic, Phys. Rev. X 11, 041049 – Published 10 December 2021; DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041049

* E. Schow, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, 38116 Braunschweig

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