Warum bauen Wissenschaftler eine Atomuhr? Weil Atomuhren nicht perfekt sind

Die Aufgabe, eine Uhr zu bauen, die die Zeit genau einhält, ist völlig anders als das Uhrwerk. Normale Uhren helfen uns im täglichen Alltag ziemlich gut, aber wissenschaftliche Forschung und Technologie, die auf empfindlichen Messungen basiert, erfordern Uhren, die den Lauf der Zeit mit äußerster Präzision messen können. So haben Wissenschaftler Atomuhren erfunden - und obwohl sie die Zeit genauer einhalten als herkömmliche Systeme, bleibt noch erheblicher Verbesserungsbedarf. Nun bewegen sich Wissenschaftler von der atomaren Welt in die nukleare. Eine neue Studie wurde in veröffentlicht Natur zeigt, dass deutsche Physiker eine Uhr entwickelt haben, die alle 20 Milliarden Jahre weniger als eine Zehntelsekunde verliert. Das ist - je nachdem, wie Sie es betrachten - zehnmal besser als die derzeitigen Atomtechnologien

Aber bevor wir Atomuhren veraltet machen, wollen wir uns überlegen, was sie von den Vorfahren mit Pendeleffekt unterscheidet.

Jede Uhr verwendet einen Resonator, um die Zeit zu verfolgen. Ein Resonator ist ein Mechanismus, der zur Vereinfachung regelmäßig „tickt“. Alte Uhren verwendeten ein Pendel und Zahnräder als Resonator. Digitale Uhren verwenden die Schwingungen auf der Stromleitung oder eines Quarzkristalls als Resonator. Eine Atomuhr bringt diese Idee einige Schritte vorwärts, indem sie die Resonanzfrequenzen der Atome selbst als Resonator verwendet. In diesem System wird der Resonator durch die elektromagnetische Strahlung reguliert, die vom Quantenübergang eines Atoms abgegeben wird. Mit anderen Worten, eine Atomuhr verfolgt die Zeit, indem sie die energetischen Änderungen in einem Atomteilchen misst.

Bei einigen Elementen und ihren Isotopen geschieht dies bei gleichbleibenden Frequenzen. Caesium-133 zum Beispiel oszilliert mit exakt 9.192.631.770 Zyklen pro Sekunde. Deshalb wurde sie 1955 beim National Physical Laboratory in Großbritannien zum Bau der ersten Atomuhr verwendet.

Seitdem hat eine Reihe von technologischen Fortschritten zu genaueren Atomuhren geführt - darunter das Abkühlen und Einfangen von Atomen durch Laser, genauere Laserspektroskopie und die Ermittlung anderer isotopischer Elemente, die noch konsistentere Resonanzfrequenzen aufweisen. Der derzeitige Rekordhalter für die genauesten Atomuhren basiert auf Ytterbium-Ionen.

Der Grund, warum Atomuhren so kritisch sind, hat damit zu tun, dass Uhren die Zeit auf unterschiedlichen Höhen unterschiedlich messen. Je weiter eine Uhr von der Hauptschwerkraftquelle entfernt ist, desto schneller vergeht die Zeit (d. H. Eine Uhr läuft am Mount Everest schneller als auf Meereshöhe). Der Unterschied ist scheinbar vernachlässigbar, kann sich jedoch mit zunehmender Zeit addieren.

So viele unserer Technologien arbeiten heutzutage als globale Anwendungen wie GPS. Um sicherzustellen, dass sie unabhängig von ihrem Standort zur gleichen Zeit laufen, müssen sie direkt an eine genaue Uhr gebunden werden. Es gibt keinen besseren Weg, um dies sicherzustellen, als Atomuhren als Standard zu verwenden. In der jüngsten Studie umreißt das deutsche Forscherteam eine Idee zur direkten Messung der Schwingungen des Atomkerns des Elements selbst (im Gegensatz zu den den Kern umgebenden Elektronen). Eine auf diesem Design basierende Atomuhr könnte verhindern, dass sie von äußeren Kräften beeinflusst wird. Das Forschungsteam identifiziert einen Erregungszustand im Thorium-Isotop Th-229m, der funktionieren könnte - und veranschaulicht experimentelle Ergebnisse, die diesen Begriff unterstützen.

Es gibt nur ein Problem: Th-229m tritt natürlich nicht auf. Obwohl die Ergebnisse der neuen Studie dennoch beeindruckend sind, ist es unklar, wie Forscher genug von Th-229m ernten können, um eine Atomuhr zu bauen und zu warten. Die Forscher haben in diesem Fall Th-229m durch Verwendung von Uran-233 als Quelle abgeleitet. Es ist kein einfacher Prozess.

Wenn Wissenschaftler herausfinden, wie das kleine Problem gelöst werden kann und eine nachhaltige Menge an Th-229m generiert wird, schauen wir uns eine neue Generation von Atomuhren an, die zweifellos eine große Rolle spielen wird, wenn wir immer mehr Technologien bauen, die sich über den gesamten Globus erstrecken dient den Menschen in allen Ecken der Welt.