Absolute frequency measurement of the $^{40}$Ca$^{+}$ clock transition using a GNSS link to the SI second

Zeit wird im grundlegendsten Sinne durch das Zählen der stetigen, rhythmischen Schläge eines Atoms gemessen. Jahrzehntelang wurden die offiziellen Sekunden der Welt durch die Schwingungen von Cäsiumatomen definiert, ein Standard, der der Menschheit gut gedient hat. Wissenschaftler suchen jedoch schon lange nach einer präziseren Art, die Zeit zu messen – einer, die auf Atomen basiert, die mit viel höheren Geschwindigkeiten schwingen und dabei Licht anstelle von Mikrowellen nutzen. Diese optischen Atomuhren sind so empfindlich, dass sie die winzigsten Änderungen der Gravitation oder des Zeitverlaufs selbst erkennen können. Um nützlich zu sein, müssen diese Uhren gegen die offizielle Zeit, die von nationalen Laboratorien gehalten wird, abgeglichen werden; dies erfordert jedoch eine Brücke, die das Signal über hunderte von Kilometern transportieren kann, ohne seine Präzision zu verlieren.

In einer kürzlich durchgeführten Studie haben Forscher in Innsbruck, Österreich, eine solche Brücke gebaut, um die exakte Frequenz einer spezifischen Uhr zu messen, die auf einem einzelnen Calcium-Ion basiert. Sie verbanden ihr Labor über ein Netzwerk von Navigationssatelliten mit dem primären Zeitmesszentrum in Braunschweig, Deutschland. Durch dies Bestimmten sie die absolute Frequenz des Calcium-Uhrentransitionsübergangs mit einer Präzision, die für diesen spezifischen Aufbau noch nie zuvor erreicht worden war. Ihre Arbeit liefert nicht nur eine neue, hochgenaue Zahl dafür, wie schnell diese Uhr tickt, sondern korrigiert auch eine langjährige Diskrepanz in der wissenschaftlichen Aufzeichnung und verfeinert unser Verständnis darüber, wie Magnetfelder mit dem Atom interagieren.

Das Experiment konzentrierte sich auf ein einzelnes Calcium-Ion, ein Atom, das ein Elektron verloren hat und durch unsichtbare elektrische und magnetische Kräfte in einer Vakuumkammer gefangen ist. Dieses Ion fungiert als das Pendel der Uhr. Um es zum Ticken zu bringen, strahlen die Forscher einen Laserstrahl einer sehr spezifischen Farbe, einem tiefen Rot, auf das Atom. Wenn die Frequenz des Lasers mit der natürlichen Schwingung des Ions übereblich stimmt, absorbiert das Atom die Energie und springt in einen höheren Energiezustand. Die Forscher suchen nach dem exakten Moment, in dem dies geschieht, was bei einer Frequenz von 411.042.129.776.401,2 Hertz der Fall ist. Diese Zahl repräsentiert die Anzahl der Male, die das Atom pro Sekunde schwingt. Um dies mit solch extremer Genauigkeit zu messen, mussten sie sicherstellen, dass kein externer Faktor, wie etwa störende Magnetfelder oder die Hitze der Umgebung, die Zahl leicht verfälscht.

Um ihre lokale Uhr mit dem internationalen Standard zu verbinden, stellte das Team eine Verbindung zum Physikalisch-Technischen Bundesinstitut (PTB) in Braunschweig her, dem deutschen nationalen Metrologieinstitut, das zur Definition der koordinierten universellen Zeit beiträgt. Sie verwendeten einen passiven Wasserstoff-Maser, ein Gerät, das ein sehr stabiles Signal erzeugt, als lokalen Referenzwert. Dieses Signal wurde dann mit der Zeit verglichen, die durch Satelliten im Globalen Navigationssatellitensystem gehalten wird. Durch die Analyse der Zeit, die die Signale benötigten, um zwischen ihrem Labor, den Satelliten und dem deutschen Labor zu reisen, konnten sie den präzisen Unterschied zwischen ihrer lokalen Uhr und der offiziellen internationalen Zeit berechnen. Diese Methode, bekannt als Precise Point Positioning, ermöglichte es ihnen, den Zeitstandard über eine Distanz von mehreren hundert Kilometern mit minimalem Fehler zu übertragen.

Die Messkampagne dauerte zehn Tage im Juni 2021. Während dieser Zeit untersuchten die Forscher das Ion sechs verschiedene Male unter Verwendung leicht unterschiedlicher magnetischer Einstellungen für jede Messung. Diese kluge Strategie ermöglichte es ihnen, mehrere Fehlerquellen zu eliminieren, die solche Messungen normalerweise beeinträchtigen, einschließlich der Verschiebungen durch das Erdmagnetfeld und die elektrischen Felder innerhalb der Falle. Sie entdeckten jedoch, dass ein subtiler Effekt, verursacht durch die Hochfrequenzströme, die das Ion an seinem Platz halten, die Ergebnisse immer noch beeinflusste. Diese Ströme erzeugen ein winziges, oszillierendes Magnetfeld, das die Energieniveaus des Atoms auf eine Weise verschiebt, die in früheren Messungen nicht vollständig berücksichtigt worden war. Durch die sorgfältige Messung dieses Effekts war das Team in der Lage, ihre Daten zu korrigieren und auch einen neuen, genaueren Wert für eine fundamentale Eigenschaft des Calcium-Atoms zu berechnen, die als Landé-G-Faktor bekannt ist und beschreibt, wie das Atom auf Magnetfelder reagiert.

Das Endergebnis ihrer Arbeit ist eine Messung der Calcium-Uhrentransitionsfrequenz mit einer fraktionalen Unsicherheit von 1,5 mal 10 hoch minus 15. Um diese Präzision einzuordnen: Wenn diese Uhr zu Beginn des Universums gestartet wäre, wäre sie heute um weniger als eine Sekunde abgewichen. Dieses Ergebnis bringt ihre Messung in Einklang mit den jüngsten Studien aus anderen Laboratorien in China und Israel, steht jedoch im Widerspruch zu früheren Messungen aus den Jahren 2009 bis 2012. Die Forscher glauben, dass die früheren Ergebnisse weniger genau waren, weil sie die oszillierenden Magnetfelder, die durch die Falle selbst erzeugt werden, nicht vollständig berücksichtigt haben. Durch den Einschluss dieses Faktors löst die neue Messung den Widerspruch auf und liefert einen zuverlässigeren Standard für die zukünftige Zeitmessung.

Über die spezifische Zahl hinaus demonstriert die Studie die Leistungsfähigkeit des Einsatzes von Satellitenverbindungen zum Vergleich der fortschrittlichsten Uhren der Welt. Während Glasfaserkabel eine noch bessere Stabilität bieten können, sind sie nicht immer praktikabel, um sie zwischen fernen Städten zu verlegen. Die hier verwendete Satellitenverbindung bietet einen einfacheren, leichter zugänglichen Weg, um zu verifizieren, dass die optischen Uhren weltweit konsistent miteinander sind. Die Forscher bestätigten auch, dass ihre eigenen Messungen primär durch die Stabilität ihres lokalen Wasserstoff-Masers begrenzt waren, was darauf hindeutet, dass zukünftige Verbesserungen durch die Verwendung einer noch stabileren Referenzquelle erzielt werden könnten. Diese Arbeit markiert einen bedeutenden Schritt nach vorn in der globalen Bemühung, die Sekunde neu zu definieren und diese unglaublich präzisen Uhren zu nutzen, um die fundamentalen Gesetze der Physik zu testen.