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Eine magneto-optische Falle mit etwa 300 Millionen Strontiumatomen, die in einer auf knapp über dem absoluten Nullpunkt gekühlten Vakuumkammer hängen. Diese Falle wurde von Forschern verwendet, um neue Techniken zur Zeitmessung zu entwickeln.(Bildnachweis: Eliot Bohr)

Durch die Verwendung eines speziellen Atomtyps könnten selbst die fortschrittlichsten Atomuhren präziser werden, meinen Wissenschaftler.

Wenn sich dieser Durchbruch bestätigt, könnte er zu genaueren GPS-Systemen und besseren Atomuhren für die Raumfahrt führen – er könnte sogar zu Geräten führen, die Erdbeben und Vulkanausbrüche mit höherer Genauigkeit erkennen können. Faszinierenderweise trägt einer der Forscher, die hinter dieser Entwicklung stehen, einen bekannten Namen, der auf einem passenden Familienerbe beruht, das in der Spitze der Atomwissenschaft verwurzelt ist: Eliot Bohr. Er ist der Urenkel von Neils Bohr.

Von allen Einheiten, die die Menschheit zur Messung verwendet, ist die Sekunde, eine grundlegende Zeiteinheit, am genauesten definiert. Entscheidend für diese und alle anderen Arten von Zeitmessungen in der Geschichte sind verschiedene Arten von Schwingungen. So wie Standuhren die Schwingungen eines Pendels zur Zeitmessung verwenden, definieren Atomuhren eine Sekunde als 9.192.631.770 Mikrowellenschwingungen eines Cäsiumatoms, wenn es Mikrowellenstrahlung einer bestimmten Frequenz absorbiert.

Viele moderne Atomuhren verwenden zur Zeitmessung Schwingungen von Strontiumatomen anstelle von Cäsium; die genaueste dieser Uhren ist auf 1/15.000.000.000 Sekunden genau. Das bedeutet, dass die Uhr, selbst wenn sie seit Anbeginn der Zeit vor etwa 13,8 Milliarden Jahren gelaufen wäre, nicht eine ganze Sekunde verloren oder gewonnen hätte. Bei den meisten Atomuhren, die für die Einhaltung der koordinierten Weltzeit (UTC) von Positionen rund um den Globus verwendet werden und dafür sorgen, dass unsere Mobiltelefone, Computer und GPS-Geräte synchronisiert sind, gibt es jedoch noch Raum für Verbesserungen.

Das liegt daran, dass der Laser, mit dem die Schwingungen der Atome in Atomuhren ausgelesen werden, diese Atome dabei erhitzt, so dass sie aus dem System entweichen. Dies kann zu einer gewissen Diskrepanz führen, wenn auch nur zu einer sehr geringen. Forscher des Niels-Bohr-Instituts glauben jedoch, einen Weg gefunden zu haben, den Laser ganz auszuschalten und so die Erhitzung der Atome und eine mögliche Beeinträchtigung der Präzision zu vermeiden. Das Institut ist nach dem Urgroßvater von Eliot Bohr benannt, dem auch Bohr selbst angehört.

„Wir haben herausgefunden, dass es möglich ist, den kollektiven Zustand eines atomaren Ensembles, wie er in Atomuhren und Sensoren benötigt wird, mit einer erhöhten Rate und bei minimaler Erwärmung unter Verwendung von Superradianz auszulesen“, erklärt der leitende Forscher Eliot Bohr, der am Institut promoviert hat, gegenüber kosmischeweiten.de. „Es gibt einen Schwellenwert für das Auftreten von Superradianz für die von uns gewählte experimentelle Geometrie, und wir können diesen Schwellenwert in einer Taktsequenz ausnutzen.“

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Atomuhren könnten cooler sein

In den derzeitigen Atomuhren werden etwa 300 Millionen heiße Strontiumatome in eine magneto-optische Falle in einer Vakuumkammer gespuckt. Diese Falle ist eine Kugel aus Atomen, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt ist, der theoretischen Temperatur, bei der jede atomare Bewegung zum Stillstand kommt. Aufgrund dieser Temperaturen liegen die eingebrachten Atome fast still. Dadurch ist es möglich, dass zwei Spiegel, zwischen denen sich Licht befindet, ihre Schwingungen registrieren können.

„Bei herkömmlichen Atomuhren heizt die Detektion die Atome auf, so dass die Atome frisch geladen werden müssen“, so Bohr. „Dieses Laden dauert eine Weile und verursacht Ausfallzeiten im Zyklus der Atomuhr, was die Präzision einschränkt. ‚Die ‘pausierten“ Atome des Teams, die so stark abgekühlt wurden, können jedoch wiederverwendet werden. Das bedeutet, dass sie nicht so oft ausgetauscht werden müssen, was zu präziseren Atomuhren führen würde.

Bohr erklärte, dass Superradiant-Atome Atome sind, die sich in einem kollektiven Quantenzustand befinden und durch die Zufuhr von Energie in Form von Photonen, also Lichtteilchen, angeregt werden. Wenn die Atome die durch das Photon induzierte Energie freisetzen oder „zerfallen“, emittieren sie alle Licht in die gleiche Richtung und mit einer erhöhten Rate.

„Man kann im Grunde nicht unterscheiden, welches Atom welches Photon ausgesandt hat. Sie emittieren sie gemeinsam“, fügte er hinzu. „Diese erhöhte Emissionsrate ermöglicht es, dass Photonen von der Art von Atomübergängen, die in Atomuhren verwendet werden, viel schneller emittiert werden.“

Dieses starke Lichtsignal kann dazu verwendet werden, den atomaren Zustand der kollektiven Strontiumatome auszulesen, was bedeutet, dass ein Laser gar nicht erst benötigt wird. Und da dieser Prozess abläuft, ohne dass die superstrahlenden Atome mehr als minimal erhitzt werden, müssen sie auch nicht ersetzt werden.

Der Verzicht auf den Laser würde nicht nur zu präziseren Atomuhren führen, sondern auch zu einfacheren und besser tragbaren Geräten.

„Moderne Atomuhren sind heute so genau, dass sie auf die Schwerkraft reagieren“, sagte Bohr. „Es gibt Vorschläge, dass wir, wenn wir Atomuhren haben, die tragbar und präzise genug sind, sie strategisch platzieren und Erdbeben und Vulkanausbrüche besser vorhersagen können, indem wir bestimmte Schwankungen der Schwerkraft messen.“

Revolutionäre Atomwissenschaft ist das Familiengewerbe

Da er aus einer Reihe von Wissenschaftlern stammt, die unser Verständnis der subatomaren Welt beeinflusst haben, könnte Bohr diese Art von Forschung durchaus im Blut liegen. Der berühmteste Vertreter dieser Linie ist sein Urgroßvater Niels Bohr, einer der Väter der Quantenphysik und ein Wissenschaftler, der einen enormen Beitrag zum Verständnis der atomaren Struktur geleistet hat, ohne den Forschung wie diese nicht möglich wäre.

Im Jahr 1913 entwickelte Niels Bohr ein frühes Atommodell, das als Bohr-Modell bekannt ist. Sein Urenkel folgt nun dem Vermächtnis, das Bohr hinterlassen hat (Bildnachweis: BirgerNiss via Getty Images)

Im Jahr 1913 stellte Niels Bohr zusammen mit Ernest Rutherford ein Modell des Atoms vor, das von einem dichten Kern ausgeht, der von kreisenden Elektronen umgeben ist. Obwohl dieses „Bohrsche Modell“ des Atoms im Vergleich zu den detaillierten Diagrammen, die uns heute zur Verfügung stehen, als relativ simpel gilt, wird es 111 Jahre nach seiner Entstehung immer noch in Klassenzimmern auf der ganzen Welt verwendet, um Schülern das Konzept des Atoms näher zu bringen.

Die Verbindung der Familie von Eliot Bohr mit der atomaren Struktur geht noch weiter.

Sein Großvater ist Aage Niels Bohr, der 1975 zusammen mit Ben Roy Mottelson und James Rainwater den Nobelpreis für Physik für ihre Entdeckung des Zusammenhangs zwischen kollektiver Bewegung und Teilchenbewegung in Atomkernen erhielt. Dies führte zur Entwicklung einer verbesserten Theorie über die Struktur des Atomkerns. „Sowohl mein Urgroßvater als auch mein Großvater haben mich sehr inspiriert“, sagte Bohr. „Sie arbeiteten beide an theoretischen Arbeiten zum Verständnis des Atoms und des Atomkerns. Die Theorie meines Urgroßvaters, dass Atome ein Photon einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und in einen angeregten Zustand übergehen oder ein Photon aussenden und in einen niedrigeren Zustand zerfallen können, ist genau das, was wir in unserem Labor jeden Tag mit Lasern machen.“

Das Bohrsche Modell des Atoms. Es wird immer noch in jedem Grundschul-Physikunterricht auf der Erde gelehrt. (Bildnachweis: Getty Images)

Bohr fügte hinzu, dass er die Aufgeschlossenheit seines Urgroßvaters und seiner Kollegen als besonders inspirierend empfindet.

„Die Konzepte sind völlig unintuitiv, aber durch rigorose Daten und Debatten haben sie diese neuen ‚Quanten‘-Regeln akzeptiert“, sagte Bohr. „Wir akzeptieren sie jetzt und nutzen sie in vielen unserer modernen Technologien. Ich hoffe, dass ich dazu beitragen kann, die nächsten Quantentechnologien zu entwickeln, die der Gesellschaft zugute kommen werden.“

Bei der Erforschung der superradioaktiven Atomuhr gibt es laut Bohr viele Möglichkeiten für zukünftige Fortschritte. Die Gruppe, der er in Kopenhagen angehörte, fährt nun fort, verschiedene Eigenschaften des superradianten Lichts zu verstehen, um herauszufinden, wie es für andere Situationen nutzbar gemacht werden kann.

In der Zwischenzeit hat Bohr eine Postdoc-Forschungsstelle am JILA angetreten, einem gemeinsamen Institut des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado, Boulder. In diesem Labor werden auch Superradianz und andere kollektive atomare Effekte für Quantensensoren der nächsten Generation untersucht.

„Ich plane, die Erforschung kollektiver Quanteneffekte fortzusetzen, die in Uhren und Sensoren verwendet werden können“, schloss er. „Wir haben einige Ideen zur weiteren Verfeinerung der Methode, wie z. B. die Suche nach den optimalen Parametern und das Verständnis und die Reduzierung des Rauschpegels im Überstrahlungssignal.

„Es gibt viele Möglichkeiten, Superradianz zu nutzen, um Uhren und Sensorik voranzubringen.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im Februar in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.