Die genauesten Uhren der Welt sollen künftig nach einer Münchner Technik ticken: Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching bei München haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die ultraschnellen Schwingungen von Lichtwellen zählen lassen. Der elegante Laser-Trick der Gruppe um Theodor Hänsch löst ein Jahrzehnte altes Problem der Physik. Das Projekt ist für den Deutschen Zukunftspreis nominiert, der am 29. November von Bundespräsident Johannes Rau in Berlin verliehen wird.
Seit langem suchen Forscher nach Wegen, die hohen Frequenzen, also die Schwingungen, von Lichtwellen direkt zu messen. Radiowellen lassen sich mit bis zu mehreren Milliarden Schwingungen pro Sekunde von modernen Messgeräten noch problemlos mitverfolgen. Überfordert ist die Elektronik dagegen bei Lichtwellen, die mehrere hunderttausend Milliarden Mal pro Sekunde schwingen. Das Team um Hänsch brachte einen Laser dazu, einen Teil der Abzählarbeit zu übernehmen. Dieser Laser wartet jeweils exakt eine einstellbare Zahl von Schwingungen der zu messenden Lichtwelle ab und sendet dann einen kurzen Blitz aus.
Ist der Laser beispielsweise so eingestellt, dass er jeweils exakt eine Million Schwingungen abwartet, blitzt er etwa hundert Millionen Mal pro Sekunde – eine Abfolge, die sich leicht messen lässt. “Jeder handelsübliche PC kann eine Milliarde Schwingungen pro Sekunde zählen”, erläutert der Physiker Thomas Udem, der an dem Projekt arbeitet. Aus der Zahl der Blitze errechnen die Forscher dann die genaue Zahl der Schwingungen der ursprünglichen Lichtwelle.
Bislang stand für die Messung schneller Schwingungen Udem zufolge nur ein sehr teures und sehr aufwendiges Verfahren zur Verfügung, das zudem nicht immer zuverlässig funktionierte. An der Messung von Frequenzen sind Physiker deshalb so stark interessiert, weil sie besonders genau ist. “Alles andere ist um Klassen ungenauer”, sagt Udem.
Die “ultrapräzise Synthese und Messung optischer Frequenzen” dient unter anderem als Werkzeug zur Überprüfung einer der präzisesten Theorien der Physik, der so genannten Quantenelektrodynamik. Darüber hinaus seien bereits eine ganze Reihe Anwendungen in greifbare Nähe gerückt, heißt es in der Nominierung zum Zukunftspreis. So erlaube die Münchner Technik den Bau “optischer Uhrwerke”, die das Licht von Atomen als eine Art Pendel verwenden und tausend Mal genauer gehen sollen als herkömmliche Atomuhren. “Mit Hilfe solcher Uhren kann man zum Beispiel bessere Satellitennavigationssysteme implementieren”, erläutert Hänsch.
Eine bedeutende Rolle könnten die optischen Uhrwerke insbesondere in der Kommunikationstechnik spielen, wo sie mit ihrem schnellen Takt in künftigen Glasfasernetzen für Ordnung im Datenverkehr sorgen sollen. Udem zufolge werden weltweit entsprechende Uhren auf Basis der Münchner Technik bereits gebaut, unter anderem in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig.
Till Mundzeck (dpa)
