Atomuhr entwickelt, die alle 140 Millionen Jahre nur um eine Sekunde abweicht

Diese Cäsium-Fontänenuhr mit der Bezeichnung NIST-F4 basiert auf der Bewegung von Cäsiumatomen, die unter Mikrowellenlicht auf- und absteigen. Hätte diese Uhr vor 100 Millionen Jahren, als die Dinosaurier lebten, zu funktionieren begonnen, so die Erklärung der Wissenschaftler, würde sie heute nur um weniger als eine Sekunde abweichen.

Einzelheiten des neuen Systems wurden in der wissenschaftlichen Zeitschrift Metrologia veröffentlicht. NIST-F4 ist ab April 2025 betriebsbereit und wird derzeit für die Aufnahme in das System der koordinierten Weltzeit (UTC) genehmigt. Es gibt weltweit etwa 450 Uhren, die die UTC definieren.

Liz Donley, Leiterin der Abteilung Zeit und Frequenz des NIST, wies darauf hin, dass diese Signale im täglichen Leben Milliarden Mal verwendet werden. Uhren spielen nicht nur bei der Zeiteinstellung eine entscheidende Rolle, sondern auch bei der Zeitstempelung elektronischer Finanztransaktionen im Wert von Billionen von Dollar, sagte Donley.

NIST-F4 ist eine Fontänenuhr aus Tausenden von Cäsiumatomen, die per Laser auf nahezu den absoluten Nullpunkt gekühlt wurden. Die Atome werden durch zwei Laserstrahlen nach oben geschleudert und sind dann beim Herunterfallen aufgrund ihres Eigengewichts Mikrowellenstrahlung ausgesetzt. Während dieses Prozesses vibrieren Atome 9.192.631.770 Mal pro Sekunde, was der Definition der internationalen Sekunde entspricht.

Es ist jedoch nicht einfach, diesen Prozess zuverlässig zu machen. Die Wissenschaftler mussten alle möglichen winzigen Lärmquellen berücksichtigen, die die Schwingungen der Atome beeinflussen könnten. Hierzu zählen Quantenwechselwirkungen, Mikrowellenlecks und Störungen elektromagnetischer Felder, die durch Laser erzeugt werden.

Das NIST-Team begann im Jahr 2020 mit der Arbeit an dieser Uhr. Nachdem die erste Fontänenuhr der Agentur, NIST-F1, zur Restaurierung außer Betrieb genommen wurde, wurde die Mikrowellenkavität für das System der nächsten Generation von Grund auf neu gebaut.

Der Prozess der Auswertung solcher Uhren müsse sehr langsam und sorgfältig durchgeführt werden, sagte Vladislav Gerginov, ein NIST-Physiker und Erstautor der Studie. Dem Team gelang es, die systematische Unsicherheit auf 2,2×10⁻¹⁶ zu reduzieren. Dies bedeutet, dass die Uhr alle 140 Millionen Jahre nur eine Sekunde nachgeht.

NIST-F4 wird in Verbindung mit seinem Vorgänger NIST-F3 betrieben. Die neue Uhr wird etwa 90 Prozent der Zeit aktiv sein und sicherstellen, dass immer mindestens eine Uhr läuft. Daten von beiden Uhren werden regelmäßig zur UTC-Kalibrierung an das BIPM gesendet.