Sieben optische Atomuhren in vier europäischen Ländern haben einen der bislang präzisesten internationalen Zeitvergleiche bestanden und stärken damit die wissenschaftliche Grundlage für eine spätere Neudefinition der Sekunde. Nature hob das Ergebnis am 4. September hervor, nachdem die begutachtete Studie am 1. September in Physical Review Research erschienen war.
Die zweimonatige Kampagne verband unabhängig betriebene Uhren an nationalen Metrologieinstituten in Italien, Frankreich, Großbritannien und Deutschland. Die Forschenden verglichen ihre Frequenzen über ein stabilisiertes Glasfasernetz von mehreren Tausend Kilometern Länge. Diese Methode vermeidet einen großen Teil der Unsicherheit, die satellitengestützte Übertragungen über weite Entfernungen einbringen können.
Die Studie nennt Unsicherheiten der gemessenen optischen Frequenzverhältnisse zwischen 7,7 mal 10 hoch minus 18 und 6,1 mal 10 hoch minus 17. Der wichtigste Test umfasste einzelne Ytterbium-Ionen-Uhren am britischen National Physical Laboratory und an der deutschen Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Beide stimmten innerhalb der engsten Unsicherheitsgrenze der Kampagne überein.
Nach Angaben der Autoren und des italienischen Metrologieinstituts INRIM ist dies die erste internationale Bestätigung zweier unabhängig entwickelter optischer Uhren unterhalb eines Anteils von 10 hoch 17. Auch die italienische Ytterbium-Gitteruhr entsprach früheren internationalen Messungen. Eine Quecksilberuhr in Frankreich lieferte zudem mehrere Frequenzverhältnisse mit verbesserten Unsicherheiten.
Optische Uhren erfassen schnelle Schwingungen bei Übergängen in Atomen oder Ionen und können die Mikrowellen-Cäsiumuhren übertreffen, auf denen die heutige Definition der Sekunde beruht. Bevor ein optischer Übergang als neue weltweite Referenz dient, müssen Labore zeigen, dass getrennte Geräte nach Berücksichtigung systematischer Effekte, der Glasfaserübertragung und der gravitativen Rotverschiebung konsistente Ergebnisse liefern.
Die Forschenden erklärten, die Messungen lieferten Belege für internationale Arbeiten an einer künftigen Neudefinition der SI-Sekunde. Zuverlässige, über Glasfaser verbundene Uhrnetze könnten außerdem Tests der Grundlagenphysik und der allgemeinen Relativitätstheorie unterstützen, die Geodäsie durch den Nachweis winziger höhenabhängiger Gravitationsänderungen verbessern und Vergleiche neuer Standards ohne Transport der Uhren ermöglichen.
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