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.“
