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Mit Strontium am Puls der Zeit

Am 17. Februar 2011 verkündete ein EU-finanziertes Physikerteam in Polen den Abschluss des entscheidenden Schritts zum Zusammenbau einer der genauesten Uhren der Welt. Die letzte der drei wichtigsten Komponenten für diese Uhr - ein Atomfrequenznormal auf Basis kalter Strontium...

Am 17. Februar 2011 verkündete ein EU-finanziertes Physikerteam in Polen den Abschluss des entscheidenden Schritts zum Zusammenbau einer der genauesten Uhren der Welt. Die letzte der drei wichtigsten Komponenten für diese Uhr - ein Atomfrequenznormal auf Basis kalter Strontiumatome - ist gerade in Gang gesetzt worden. Die Wissenschaftler gehen davon aus, die Uhr noch vor Jahresende zusammensetzen zu können. Das polnische Bauvorhaben in Bezug auf eine optische Atomuhr wurde vor zwei Jahren innerhalb des breiter angelegten Rahmens des Staatlichen Labors für Atom-, Molekular- und optische Physik (KL FAMO) gestartet, das einen Teil des Staatlichen Labors für Quantentechnologien (NLTK) bildet. Das NLTK ist ein Konsortium führender polnischer Einrichtungen, die wissenschaftliche Forschung auf dem Gebiet der Quantentechnologien ausführen. Während das Uhrenbauprojekt vom polnischen Ministerium für Wissenschaft und Bildung (MNiPzW) finanziert wird, trägt der Europäische Fonds für regionale Entwicklung im Rahmen des operationellen Programms "Innovative Wirtschaft 2007-2013" zur Finanzierung des NLTK-Projekts bei. In dieses ehrgeizige Gemeinschaftsprojekt sind Wissenschaftlerteams des gesamten Landes einbezogen. Das von ihnen entwickelte Gerät soll die Leistung der derzeit üblichen, modernsten Cäsiumuhren um bis zu zwei Größenordnungen übertreffen. Uhren arbeiten auf der Grundlage periodischer physikalischer Phänomene, die ein Frequenznormal schaffen. Jeder kennt das: Im Fall der Armbanduhr übernimmt ein Quarzresonator mit einem Schwingquarz diese Funktion. "Bei den heutzutage eingesetzten Atomuhren nutzt man einen elektronischen Übergang zwischen den Energieniveaus in Cäsiumatomen", berichtet das Team und erklärt, dass sich das polnische Projekt für einen anderen Ansatz entschieden habe. "Die Physiker aus Krakau ... haben ein auf Strontiumatomen basierendes Normal errichtet, bei dem die elektronischen Übergänge zwischen den Energieniveaus der Atome die Absorption und Emission elektromagnetischer Strahlung von einer viel höheren Frequenz als bei Cäsium erfordern. Die Frequenz liegt im optischen Bereich (daher auch das Adjektiv 'optisch' in der Bezeichnung der Uhr)." Eine höhere Frequenz führt zu kleineren Messgrößen und so zu einem höheren Maß an Präzision. Ultragenaue Uhren verwendet man unter anderem, um die Atomzeit als internationalen Standard für die Sekunde zu definieren - ein Wert, der für alle Einsatzgebiete, bei denen Zeitmessungen erforderlich sind, von höchster Bedeutung ist. Viele der Systeme, auf die unsere Gesellschaft inzwischen angewiesen ist - wie etwa moderne Telekommunikations- und Navigationssysteme - erfordern äußerste Genauigkeit. Und es gibt auch noch andere Anwendungen. Zum Beispiel bildet die Fähigkeit, die Zeit sehr genau messen zu können, auch die Grundlage eines Forschungsgebiets zu den fundamentalen Eigenschaften der Realität. "Die polnische Uhr wird eine Ganggenauigkeit mit einer Abweichung von einer Sekunde in einigen Dutzend Milliarden Jahren haben. Dieser Zeitraum ist mehrere Male so lang wie die Zeit, die seit dem Urknall vergangen ist. Ein derart präzises Instrument zur Zeitmessung findet man auch heute nur in einer Handvoll Forschungszentren weltweit", betont Professor Wojciech Gawlik vom Fachbereich Photonik am Institut für Physik der Jagiellonen-Universität Krakau. Professor Gawlik leitet die Forschergruppe, die den Bau des Atomfrequenznormals ausführt. Das Normal wird nach Fertigstellung zum KL FAMO in Torun gebracht, wo die Uhr dann zusammengebaut wird. Die beiden anderen wichtigen Komponenten der Uhr sind ein optischer Frequenzkamm und ein Ultrapräzisionslaser - entwickelt von Teams unter Leitung von Wissenschaftlern der Universität Warschau und der Nikolaus-Kopernikus-Universität. In einem Kommentar zu ihren jüngsten Erfolgen erklären die Forscher, dass die Rolle des Atomnormals in der Stabilisierung der Frequenz des Lasers besteht. "Die Schwingungen des elektrischen Felds eines vom Laser emittierten Lichtstrahls ... werden als elementare Einheiten der Zeit, die mit großer Genauigkeit wiederkehren, gezählt." Die Frequenz ist jedoch so hoch, dass elektronische Systeme diesen Schwingungen nicht folgen können. Dies erreicht man stattdessen mithilfe eines Frequenzkamms, "einer Gruppe zahlreicher Lichtwellen mit engen, gleichweit voneinander entfernten Frequenzen. Der Kamm - erzeugt durch einen ultrakurze Lichtimpulse emittierenden Laser - ermöglicht eine synchrone und fehlerfreie Übertragung der Atomnormalschwingungen in den Radiofrequenzbereich und Radiowellen sind elektronisch einfacher messbar." "Unser Atomnormal auf Basis von Strontiumatomen ist das dritte und somit letzte Stück des Puzzles. In ein paar Monaten, nach einigen Tests und dem Transport nach Torun, werden wir damit beginnen können, die Uhr zusammenzubauen", zeigt sich Professor Gawlik zuversichtlich. Die Fertigstellung der Uhr wird ein neuer Meilenstein für die Kinder des Kopernikus in Torun, seiner Geburtsstadt, sein.Weitere Informationen unter: Staatliches Labor für Quantentechnologien, Polen (in Polnisch): http://nltk.fuw.edu.pl Department of Photonics, Jagiellonian University: http://www.if.uj.edu.pl/pl/ZF/index.php?name=main&l=en Staatliches Labor für Atom-, Molekular- und optische Physik (KL FAMO), Polen: http://www.fizyka.umk.pl/famo_en/ Ultrafast Phenomena Lab, University of Warsaw: http://ultrafast.fuw.edu.pl Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE): http://ec.europa.eu/regional_policy/funds/feder/index_de.htm

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Polen

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