Bisher ist Cäsium das Maß aller Dinge – zumindest was die Zeitmessung betrifft. Seit den 1960er Jahren beruht sie auf dem „Ticken“ von Cäsium-Atomuhren. Sie messen die Dauer einer Sekunde anhand eines durch Mikrowellen angeregten Energieübergangs einer Wolke ultrakalter, im Vakuum schwebender Cäsiumatome. Inzwischen gibt es jedoch optische Atomuhren auf Basis von Strontium oder Ytterbium, die deutlich genauer sind.
Weil optische Atomuhren mit kurzwelligeren Laserstrahlen angeregt und ausgelesen werden können, lässt sich die Übergangsfrequenz ihrer Atome oder Ionen präziser bestimmen – und damit auch die Länge der Sekunde. Die Messunsicherheiten liegen inzwischen bei nur noch rund 5,9 x 10-18. Bevor jedoch die Definition der Sekunde auf solche optischen Uhren umgestellt wird, müssen diese auch ausreichend stabil sein – ihr Ticken muss möglichst gleichmäßig sein. Nur dann reicht schon eine kurze Messung aus, um die Zeit genau zu messen.
Lutetium als Zeitgeber
Einen Durchbruch sowohl in der Präzision wie der Stabilität könnten nun eine neuartige Atomuhr bringen, die ein ganz anderes Element als Zeitgeber nutzt: Lutetium. Dieses Schwermetall aus der Gruppe der Lanthanoide hat die Ordnungszahl 71 und steht damit im Periodensystem einen Platz weiter als Ytterbium. Gleichzeitig hat es den kleinsten Atomradius und die höchste Dichte aller Lanthanoide. Das macht Lutetium-Atome besonders robust gegenüber Störeinflüssen durch Temperaturschwankungen oder Magnetfelder.
Genau deswegen haben Kyle Arnold von der Nationaluniversität Singapur und sein Team nun erstmals eine optische Atomuhr entwickelt, die auf einem Frequenzübergang des Lutetiums beruht. „Die günstigen Eigenschaften dieses Elements bedeuten, dass wir eine hohe Präzision selbst unter schwierigen Umweltbedingungen erreichen können“, erklärt Arnolds Kollege Murray Barrett. „Die Lutetium-Atomuhr wäre selbst dann noch stabil, wenn man vom heißesten Ort der Erde im Death Valley zum kältesten Ort in der Antarktis gehen würde.“
Die Forscher Murray Barrett, Michael Lee und Kyle Arnold vor ihrer Lutetium-Atomuhr. — © Centre for Quantum Technologies
Vierfach geringere Messunsicherheit
Konkret besteht die neue Atomuhr aus einem positiv geladenen Ion des Isotops Lutetium-176 in einer Vakuumkammer. Für die Messung wird das Lutetium-Ion durch eine hybride Abfolge von Mikrowellen und optischen Laserpulsen angeregt. Ein Laser mit 848 Nanometern Wellenlänge dient dabei als Messlaser, um die Frequenz des für die Zeitmessung ausgewählten Energieübergang zu ermitteln. Anders als bei vielen anderen Atomuhren funktioniert die Messung auch bei Raumtemperatur, wie das Team erklärt.
Die Messungen ergaben, dass die neue Lutetium-Atomuhr eine Messunsicherheit von rund 1 x 10-19 aufweist. „Das ist eine vierfache Verbesserung gegenüber den niedrigsten bisher berichteten Werten für optische Atomuhren“, schreiben Arnold und seine Kollegen. „Ihr Übergang weist unter allen etablierten Uhrensystemen die geringste Empfindlichkeit gegenüber Schwarzkörperstrahlung und Magnetfeldern auf.“
Präzisester je durchgeführter Uhrenvergleich
Doch das allein reicht noch nicht: Damit eine Atomuhr die Kriterien für eine Neudefinition der Sekunde erfüllt, muss man auch sicherstellen, dass verschiedene Exemplare dieser Uhr quasi im Gleichtakt „ticken“ und die gleichen Ergebnisse liefern. Dafür haben Arnold und sein Team zwei baugleiche Exemplare ihrer Lutetium-Atomuhr konstruiert und diese über mehr als 200 Stunden hinweg mithilfe der sogenannten Korrelationsspektroskopie verglichen. Sie ermöglicht es, selbst winzige Fluktuationen in der Laserintensität und -phase zu messen und auszugleichen.
Das Ergebnis: Die gemessenen Frequenzen der beiden Lutetium-Atomuhren stimmten mit einer Abweichung von weniger als 5,7 x 10-19 überein, wie die Physiker berichten. Dies sei der präziseste Uhrenvergleich, der je durchgeführt wurde. „Ich bin zuversichtlich, dass wir hiermit die genaueste Uhr der Welt haben. Ich sehe nicht, wie diese Atomuhr noch übertroffen werden kann“, konstatiert Barrett.
Einsteins Zeitdehnung im Millimetermaßstab
Die Lutetium-Atomuhr ist so genau, dass ihr Ticken schon bei kleinsten Höhenunterschieden auf die schwerkraftbedingte Zeitdehnung reagiert. Dieser von Albert Einstein beschriebene Gravitationseffekt bewirkt, dass die Zeit in höheren Lagen durch die geringere Gravitation schneller vergeht als auf Meereshöhe. „Die Sensitivität unserer Uhr zeigt Höhenunterschiede von wenigen Millimetern an, das ist jenseits der Möglichkeiten konventioneller Vermessungstechniken“, erklären Arnold und sein Team.
Diese Präzision bringt aber auch ein Problem mit sich: Damit die offizielle Weltzeit auf solchen Atomuhren basieren kann, muss deren „Ticken“ auch ortsübergreifend vergleichbar sein und im Gleichtakt laufen. Doch wenn diese Atomuhren und ihre Signale schon bei wenigen Millimetern Höhenunterschied auseinanderlaufen, ist dies kaum möglich. „Über größere Entfernungen hinweg sind die Geopotenzialunterschiede bisher nur bis auf einige Zentimeter bekannt“, berichten die Forschenden.
Bei dem jetzt demonstrierten Grad der Messpräzision sei ein Vergleich zwischen entfernten Referenzuhren daher kaum mehr möglich. Für die künftige Neudefinition der Sekunde über optische Atomuhren könnte dies zum Problem werden.
Quelle: Kyle Arnold (National University of Singapore) et al., Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-11072-8
