Atomuhren sind die exaktesten Zeitmesser der Welt. Dennoch sind sie bisher nicht genau genug, um einige noch ungelöste physikalische Mysterien zu enträtseln. Nun haben Forscher des Massachusetts Institute of Technology eine neue Art von Atomuhr entwickelt, mit der Phänomene wie die dunkle Materie oder Gravitationswellen möglicherweise erfasst werden könnten, wie sie in einer aktuellen Arbeit m Fachblatt "Nature" berichten.

Diese präzisen Instrumente verwenden Laser, um die Schwingungen von Atomen zu messen. Die Teilchen bewegen sich wie synchron schwingende Pendel mit einer konstanten Frequenz. Die besten Atomuhren der Welt messen die Zeit so präzise, dass sie, wenn sie seit Beginn des Universums laufen würden, heute nur noch etwa eine halbe Sekunde von der exakten Zeit abweichen würden. Dennoch könnten sie noch genauer sein. Wären sie das, könnten eben Phänomene wie zum Beispiel die dunkle Materie erfasst werden. Mit besseren Atomuhren könnten Wissenschafter auch beginnen, noch einige weitere offene Fragen der Physik zu beantworten: Etwa welche Auswirkungen die Schwerkraft auf den Lauf der Zeit haben könnte oder ob sich die Zeit selbst mit zunehmendem Alter des Universums ändert.

Ytterbium statt Cäsium

Wie die Forscher skizzieren, misst die neu entwickelte Uhr nicht eine Wolke zufällig schwingender Atome, wie es nach dem derzeitigen Stand der Technik der Fall ist, sondern Atome, die quantenverschränkt sind. Das neue Setup kann dieselbe Präzision viermal schneller erreichen, als Uhren ohne Verschränkung.

Seit Menschen den Lauf der Zeit verfolgen, verwenden sie periodische Phänomene wie die Bewegung der Sonne über den Himmel. Schwingungen in Atomen sind heute die stabilsten periodischen Ereignisse, die Wissenschafter beobachten können. Darüber hinaus schwingt ein Cäsiumatom mit genau der gleichen Frequenz wie ein anderes Cäsiumatom. Seit 1967 basiert die Forschung auf dem Alkalimetall.

In ihrer neuen Uhr verwenden die Forscher etwa Ytterbiumatome, die mit der gleichen sehr hohen Frequenz wie sichtbares Licht schwingen, was bedeutet, dass jedes Atom in einer Sekunde 100.000 Mal häufiger schwingt als Cäsium. Werden die Bewegungen von Ytterbium genau verfolgt, können die Forscher die Atome verwenden, um immer kleinere Zeitintervalle zu unterscheiden. Ytterbium zählt zu den Metallen der Seltenen Erden.

Signale entschlüsseln

Würden hochmoderne Atomuhren angepasst, um verschränkte Atome so zu messen, wie es die MIT-Forscher tun, würde sich den Autoren zufolge das Timing so verbessern, dass die Zeitmesser über das gesamte Zeitalter des Universums weniger als 100 Millisekunden entfernt wären. Damit würden sie nicht nur eine bessere Zeit behalten, sondern könnten eben auch dazu beitragen, Signale im Universum wie dunkle Materie oder Gravitationswellen zu entschlüsseln. Optische Uhren haben auch Anwendungen, die über die Zeitmessung hinausgehen, wie etwa die Verbesserung der Quanteninformationswissenschaft.