Das Gespräch führte Nikolaus Fecht
Frau Professor Mehlstäubler, was hat Sie zur Miniaturisierung von Atomuhren motiviert?
Während meiner Postdoc-Zeit in Paris arbeitete ich mit Quantensensoren und lasergekühlten Atomen – einem „Atomgravimeter“ –, um die lokale Erdschwerebeschleunigung zu messen. Die beeindruckende Empfindlichkeit dieser Systeme, mit denen wir sogar Erdbeben in Japan von Europa aus detektieren konnten, hat mir gezeigt, welches Potenzial in der Quantenmesstechnik steckt. Später wurde mir klar, dass sich gravitative Effekte auch mit Atomuhren erfassen lassen – über die Gravitationsdilatation.
Was ist das?
Dieser Effekt bewirkt, dass Zeit in der Nähe eines Gravitationszentrums langsamer vergeht als weit davon entfernt. Moderne optische Uhren können auf dieser Basis Höhenunterschiede von einem Zentimeter auflösen. Ein Beispiel dafür ist, dass die Zeit auf einem Berg schneller vergeht als im Tal. Um das zu messen, lassen sich Ionen nutzen.
Welche Vorteile bieten Ionen hier gegenüber neutralen Atomen?
Ionen sind elektrisch geladene Teilchen und lassen sich in Paul-Fallen – einer Technik, die auf den Physiker Wolfgang Paul zurückgeht – sehr effizient speichern. Sie brauchen keine aufwendigen optischen Gitter, und es genügt eine deutlich geringere Laserleistung. Das ermöglicht kompakte, energieeffiziente und transportable Systeme – eine entscheidende Voraussetzung für Anwendungen außerhalb des Labors, etwa auf Bergen, in Flugzeugen oder Satelliten.
Wo liegen technisch die Herausforderungen?
Ionenuhren zeichnen sich durch eine außergewöhnlich hohe Langzeitstabilität aus. Aber ihre Kurzzeitstabilität ist durch das relativ schlechte Signal-Rausch-Verhältnis bei einzelnen Ionen limitiert. Um das zu verbessern, arbeiten wir an sogenannten Multi-Ionenuhren. Dabei werden mehrere, in Zukunft sogar Tausende von Ionen gleichzeitig gespeichert und ausgelesen – ein Konzept, das wir als Kristalluhr bezeichnen. Der scharfe Resonanzpeak, den so eine Uhr liefert – und damit ihre hohe Empfindlichkeit – erlaubt eine kurze Messdauer und einen besonders kompakten Uhrenaufbau.
Wie erreichen Sie die nötige Skalierbarkeit?
