Vor kurzem haben Physiker der Öffentlichkeit die genaueste Uhr der Welt vorgestellt, deren einzigartiges Design auf der speziellen Organisation von Strontiumatomen im dreidimensionalen Raum basiert. Es stellte sich heraus, dass dieses Gerät nicht nur zur Zeitmessung, sondern auch zur Suche nach mysteriöser dunkler Materie in den Tiefen des Weltraums nützlich ist.
Wissenschaftler des JILA-Labors von Boulder an der Universität von Colorado haben eine unglaublich genaue Quantenatomuhr entwickelt, die auf einer einzigartigen dreidimensionalen Struktur basiert. Das Projekt setzte buchstäblich einen neuen Maßstab für den Qualitätsfaktor - eine Metrik, die die Messgenauigkeit kennzeichnet. Die Uhr bildet Strontiumatome zu einem Würfel, der 1000-mal dichter ist als die vorherige eindimensionale Uhr. Das Design ermöglicht es Wissenschaftlern erstmals, das sogenannte "Quantengas" erfolgreich für diesen Zweck einzusetzen.
Die genaueste Uhr der Welt
Eine Atomuhr (auch Quanten- oder Molekularuhr genannt) ist ein Gerät zur Zeitmessung, bei dem kein Siliziummechanismus als periodischer Prozess verwendet wird, sondern Schwingungen auf atomarer und molekularer Ebene. Beispielsweise entspricht nach dem internationalen SI-System 1 Sekunde 9 192 631 770 Perioden elektromagnetischer Strahlung, die sich aus dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms ergeben.
Bisher wurde jedes Atom in einer Atomuhr als separates Teilchen betrachtet, und daher können Wechselwirkungen zwischen Atomen zu Ungenauigkeiten bei den durchgeführten Messungen führen. Das im neuen Projekt verwendete "Quanten-Vielteilchensystem" organisiert Atome jedoch nach einem bestimmten Muster, wodurch sie ihre Wechselwirkung blockieren können, unabhängig davon, wie viele Atome Wissenschaftler schließlich in den Apparat eingeführt haben. Ein Materiezustand, der als entartetes Fermi-Gas bekannt ist (ein Gas, das aus Fermi-Partikeln besteht), ermöglicht die Quantisierung aller Atome im System.
"Der wichtigste Aspekt des Potenzials einer Quantengasuhr ist ihre Fähigkeit, die Anzahl der Atome zu erhöhen, was zu einer enormen Erhöhung der Stabilität führt", erklärt der Physiker Jun Yeh vom Nationalen Institut für Standards und Technologie (NIST), der an dem Projekt gearbeitet hat. Ihm zufolge tritt die Menschheit in eine "wirklich aufregende Ära ein, in der wir uns der Quantentechnik unterziehen können, um bestimmte Größen zu messen". In Labortests betrug der Fehler 3,5 x 10 Billionen - dies ist die erste Atomuhr, die eine so beeindruckende Genauigkeit erzielt.
Thomas O'Brien, Chef und Projektleiter der NIST für Quantenphysik, erklärt, dass "eine Strontiumuhr mit einem Quantengas ein eindrucksvolles Beispiel für eine" neue Quantenrevolution "-Technologie ist, die manchmal als" Quanten 2.0 "bezeichnet wird. Er ist auch zuversichtlich, dass ein solcher Ansatz und die Entwicklung ähnlicher Technologien in Zukunft die Verwendung von Quantenkorrelationen für eine Vielzahl von Messungen und sogar für Technologien ermöglichen werden, die nicht zeitbezogen sind.
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Zeit und Raum
Die Atomuhr eignet sich beispielsweise hervorragend zur Erforschung des Verständnisses der Dunklen Materie. Forscher haben bereits vorgeschlagen, dass die Untersuchung kleinerer Fehler beim Betrieb von Atomuhren nichts weiter als "Taschen" dunkler Materie im Weltraum verfolgen wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass ein Atomuhrsystem und sogar eine solche hochempfindliche Vorrichtung Änderungen der Schwingungsfrequenz von Atomen und Laserstrahlung registrieren können, wenn sie einen Bereich dunkler Materie passieren. Wenn man bedenkt, dass das neue Projekt viel stabiler und genauer ist als seine Vorgänger, hilft es uns vielleicht, eines der interessantesten Geheimnisse des Universums zu lösen.
Wassili Makarow
