Eine neue Art von Atomuhr ist präziser als jede bisher gebaute und kann tausendmal so lange wie die Lebensdauer des Universums reibungslos ticken. Die neue sogenannte Quantengasuhr ist nicht nur der bisher beste Zeitnehmer, sondern bietet möglicherweise eines Tages Einblicke in die neue Physik.
Forscher von JILA (früher auch als Joint Institute for Laboratory Astrophysics bezeichnet) verwendeten eine Kombination aus Strontiumatomen und einer Reihe von Laserstrahlen, um eine Uhr zu erstellen, die so präzise ist, dass sie die Wechselwirkung der Schwerkraft in kleineren Maßstäben als je zuvor messen kann . Auf diese Weise könnte es Aufschluss über die Art seiner Beziehung zu anderen fundamentalen Kräften geben, ein Rätsel, das die Physiker seit Jahrzehnten verblüfft.
Atomuhren messen die Zeit, indem sie die Schwingungen von Atomen wie ein sehr präzises Metronom verwenden. Aktuelle Atomuhren sind über mehrere zehn Milliarden Jahre in Sekunden ausgeschaltet. Diese neueste Iteration bleibt so präzise, dass sie in etwa 90 Milliarden Jahren nur um 1 Sekunde abweicht.
Um diese Präzision zu erreichen, kühlte das Team Strontiumatome, um zu verhindern, dass sie sich bewegen und ineinander stoßen - etwas, das ihre Schwingungen abwerfen kann. Zuerst treffen sie die Atome mit Lasern. Wenn die Atome von den Photonen in den Lasern getroffen wurden, absorbierten sie ihre Energie und emittierten ein Photon erneut, verloren kinetische Energie und wurden kälter. Aber das hat sie nicht genug gekühlt. Um sie noch kälter zu machen, setzte das Team auf Verdunstungskühlung, damit einige der Strontiumatome verdampfen und noch mehr Energie aufnehmen konnten. Sie hatten zwischen 10.000 und 100.000 Atome bei einer Temperatur von nur 10 bis 60 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt oder minus 453 Grad Fahrenheit (minus 273 Grad Celsius).
Die kalten Atome wurden durch eine 3D-Anordnung von Lasern eingefangen. Die Strahlen wurden so eingestellt, dass sie sich gegenseitig stören. Dabei schufen sie Regionen mit niedrigem und hohem Energiepotential, sogenannte Potentialtöpfe. Die Vertiefungen wirken wie gestapelte Eierkartons, und jeder enthält ein Strontiumatom.
Die Atome wurden so kalt, dass sie aufhörten, miteinander zu interagieren - im Gegensatz zu einem normalen Gas, in dem Atome zufällig herumlaufen und von ihren Gefährten abprallen, bleiben solche abgekühlten Atome ziemlich still. Sie verhalten sich dann weniger wie ein Gas als wie ein Feststoff, obwohl der Abstand zwischen ihnen viel größer ist als der, der in festem Strontium zu finden ist.
"Unter diesem Gesichtspunkt ist es ein sehr interessantes Material. Es hat jetzt Eigenschaften, als wäre es ein Festkörper", sagte Projektleiter Jun Ye, Physiker am Nationalen Institut für Standards und Technologie, gegenüber Live Science. (JILA wird gemeinsam vom NIST und der University of Colorado in Boulder betrieben.)
Zu diesem Zeitpunkt war die Uhr bereit, die Zeit zu halten: Die Forscher schlugen mit einem Laser auf die Atome ein und erregten eines der Elektronen, die den Kern des Strontiums umkreisen. Da Elektronen den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen, kann man nicht sagen, in welchem Energieniveau sich das Elektron befindet, wenn es angeregt wird, und man kann nur sagen, dass es eine Wahrscheinlichkeit hat, in dem einen oder anderen zu sein. Um das Elektron zu messen, feuerten sie nach 10 Sekunden einen weiteren Laser auf das Atom. Dieser Laser misst, wo sich das Elektron um den Kern befindet, wenn ein Photon vom Laser vom Atom wieder emittiert wird - und wie oft es in dieser Zeit (den 10 Sekunden) schwingt.
Die Mittelung dieser Messung über Tausende von Atomen verleiht dieser Atomuhr ihre Präzision, ebenso wie die Mittelung der Schläge von Tausenden identischer Pendel eine genauere Vorstellung davon gibt, wie die Periode dieses Pendels sein sollte.
Bis jetzt hatten Atomuhren im Gegensatz zu einem 3D-Gitter nur einzelne "Ketten" von Atomen, so dass sie nicht so viele Messungen durchführen konnten wie diese, sagte Ye.
"Es ist wie ein Uhrenvergleich", sagte Ye. "Mit dieser Analogie löst der Laserpuls an den Atomen eine kohärente Schwingung aus. Zehn Sekunden später schalten wir den Puls wieder ein und fragen das Elektron: 'Wo bist du?'" Diese Messung wird über Tausende von Atomen gemittelt.
Es ist schwierig, Elektronen in diesem Zwischenzustand zu halten, sagte Ye, und das ist ein weiterer Grund, warum die Atome so kalt sein müssen, damit die Elektronen nicht versehentlich etwas anderes berühren.
Die Uhr kann im Wesentlichen Sekunden bis zu 1 Teil in Billionen messen. Diese Fähigkeit ist mehr als ein wirklich guter Zeitnehmer. es könnte bei der Suche nach Phänomenen wie dunkler Materie helfen, sagte Ye. Zum Beispiel könnte man mit einem so genauen Timer ein Experiment im Weltraum durchführen, um festzustellen, ob sich Atome anders verhalten als herkömmliche Theorien vorhersagen.
Die Studie ist in der Ausgabe vom 6. Oktober der Zeitschrift Science detailliert beschrieben.
