Atomuhren

Atomuhren sind hochpräzise Uhren, deren Takt durch die charakteristische Frequenz eines Atomübergangs bestimmt wird. Die Frequenz eines festen Übergangs dient als exakte Referenz, während ein lokaler Oszillator mittels Rückkopplung stabilisiert wird. Dadurch entsteht eine äußerst beständige Taktfrequenz, die weltweit als Maßstab für Zeit dient.

Grundtypen und Prinzipien: Es gibt Mikrowellen- und Optische Atomuhren. Mikrowellen-Atomuhren verwenden Übergänge in Cesium-133 oder Rubidium-Atoms, wobei der Mikrowellenfrequenzbereich stabilisiert wird. Optische Atomuhren nutzen viel höhere Frequenzen optischer Übergänge in neutralen Atomen (z. B. Strontium- oder Ytterbium-Atome) oder in Ionen (z. B. Aluminiumionen). Diese optischen Übergänge ermöglichen extrem feine Auflösungen. Zur Messung und zum Vergleich der extrem hohen Frequenzen kommen Frequenzspektren oder Frequenzkéhls (Frequenzkämme) zum Einsatz, um die optische Frequenz in eine Mikrowellenreferenz umzuwandeln.

Definition der Sekunde: Seit 1967 wird die Sekunde definiert als eine bestimmte Anzahl von Perioden der Strahlung des Cs-133-Hyperfeinübergangs. Diese Definition wurde durch spätere Metrologie weiter konkretisiert und präzisiert; die Sekunde wird heute durch 9.192.631.770 Perioden der Cs-133-Strahlung festgelegt. Optische Uhren streben danach, den weltweiten Zeitmaßstab weiter zu verbessern und dienen als Referenz für zukünftige Anpassungen der Definition.

Bedeutung und Anwendungen: Atomuhren liefern den Basiszeitstandard für den Internationalen Zeitmesspunkt (TAI) und UTC. Sie ermöglichen präzise Synchronisation in Telekommunikation, Navigation (z. B. GPS), Netzwerke und Grundlagenforschung. Darüber hinaus werden sie in Tests der Physik, Messungen der Gravitationsrotverschiebung und der Bestimmung fundamentaler Naturkonstanten eingesetzt.