Dank neuer physikalischer Durchbrüche kommen Atomuhren der Realität näher

Kernuhren sind genauer als Atomuhren.

Die Kernuhr gilt als weitaus leistungsfähiger als die Atomuhr, die die Dauer einer Sekunde durch Energiesprünge in den Elektronen der Atome bestimmt und derzeit den Höhepunkt der Zeitmessung darstellt.

Forscher haben jedoch vor kurzem eine Technik entwickelt, mit der diese Präzision verbessert werden kann, indem Schwingungen in einem noch schwierigeren Ziel ausgelöst und gemessen werden: dem Atomkern (der Atomkern ist der Kern eines Atoms).

So funktioniert eine Kernuhr: Wissenschaftler messen die Frequenz von Energieimpulsen, die auf den Atomkern treffen, indem sie die Wellenlängen im UV-Signal zählen. Wellenlängen können dazu führen, dass Kernübergänge bei höheren Frequenzen schwingen, was präzisere Zeitmessungen ermöglicht. Foto: Nationales Institut für Standards und Technologie

Für die Kernuhr nutzten Wissenschaftler ultraviolettes Licht, um die Kerne eines Thorium-229-Atoms in einem festen Kristall anzuregen. Anschließend maßen sie die Frequenz der Energieimpulse, die auf den Kern trafen – das Äquivalent eines Pendels in einer herkömmlichen Uhr – und zählten die Wellenlängen des UV-Lichts mithilfe eines sogenannten optischen Frequenzkamms.

Zur Erzeugung von Energiesprüngen im Atomkern ist ein Signal mit einer viel höheren Frequenz erforderlich als das einer Atomuhr. Da mehr Wellenzyklen pro Sekunde möglich sind, dürfte diese Methode präzisere Zeitmessungen ermöglichen.

Obwohl die Entwicklung der Atomuhr noch in der Entwicklung ist, sind sie sich bewusst, dass sie nicht nur die Zeitmessung, sondern auch die physikalische Forschung grundlegend verändern und sogar die Art und Weise beeinflussen könnte, wie Wissenschaftler die Struktur des Universums untersuchen.

Der Prototyp ist bereits so genau wie eine Atomuhr, und zukünftige Versionen werden voraussichtlich noch genauer und stabiler sein, heißt es in einer am 4. September in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studie.

„Es gibt einige Faktoren, die wir nutzen können, um die Genauigkeit zu verbessern“, sagte der Hauptautor der Studie, Chuankun Zhang, ein Doktorand am JILA, einem von der University of Colorado Boulder und dem National Institute of Standards and Technology finanzierten Forschungszentrum.

Physik-Revolution?

Bekanntlich ist die Genauigkeit von Atomuhren wesentlich höher als die von konventionellen Uhren. Atomuhren werden seit Jahrzehnten in der GPS-Technologie zur Weltraumforschung und internationalen Zeitmessung eingesetzt.

Darüber hinaus haben die Präzision und Stabilität der Atomuhren den Wissenschaftlern wichtige Werkzeuge für die Untersuchung von Erdbeben, Gravitationsfeldern und der Raumzeit an die Hand gegeben.

Um die Kernuhr zum Laufen zu bringen, nutzten Wissenschaftler ultraviolettes Licht, um die Kerne in Thorium-229-Atomen anzuregen. Foto: JILA

Allerdings besteht auch bei Atomuhren die Gefahr, dass die Synchronisierung verloren geht. Elektromagnetische Störungen können angeregte Elektronen stören und die Genauigkeit der Zeitmessung beeinträchtigen, sagt Autor Zhang.

Diese Bereiche werden wahrscheinlich „angeregt“, sagte Dr. Olga Kocharovskaya, emeritierte Professorin für Physik an der Texas A&M University, die nicht an der Forschung beteiligt war.

Sie fügte hinzu, dass Kernuhren nicht nur genauer, sondern auch einfacher und tragbarer seien, da sie im Gegensatz zu Atomuhren keine Hochvakuumbedingungen, keine extreme Kühlung und keine Abschirmung vor magnetischen und elektrischen Störungen erforderten.

Obwohl den Wissenschaftlern zufolge noch viele Dinge zu tun sind, bevor Kernuhren die Leistung von Atomuhren übertreffen oder sie ersetzen, zeigen diese Erkenntnisse, dass dieser Zeitpunkt nicht mehr fern ist.

Ha Trang (laut CNN)

Quelle: https://www.congluan.vn/dong-ho-hat-nhan-den-gan-thuc-te-nho-nhung-dot-pha-vat-ly-moi-post312059.html