Die Atomuhr auf dem Chip
Cäsium-Atomuhren bestimmen heute unser Leben. Künftig gibt es sie auch in winzig, und damit besteht grundsätzlich die Möglichkeit, sie in eine Armbanduhr einzubauen (aus Chronos 02.2006)
Seine Arbeiten zur Kernresonanz führten Norman Ramsey (geb. 1915) an der Harvard-Universität bei Boston eigentlich eher nebenbei zum Konzept der Atomuhr (nach dem so genannten Cäsium-Frequenzstandard), deren erstes Exemplar 1955 funktionierte. Bald erreichte man damit eine Präzision von wenigen Sekunden Gangabweichung pro Million Jahre. Die längerfristigen Folgen waren 1965 eine Neudefinition der Sekunde auf der Basis der Cäsium-Schwingungen, die Ausrüstung sämtlicher Observatorien und Zeitzeichensender mit Atomuhren sowie 1989 der Physiknobelpreis für Ramsey. Inzwischen waren seine Atomuhren überall in der wissenschaftlichen Forschung unentbehrlich geworden: Sie ermöglichten unter anderem die Satellitennavigation und die digitale Telekommunikation über Glasfasern.
Eine moderne Cäsiumuhr hat etwa die Größe eines CD-Spielers. Es besteht aber ein dringender Bedarf für eine miniaturisierte Ausführung, die man etwa in tragbare GPS-Navigationsgeräte und Mobiltelefone einbauen könnte. Die am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder (Colorado, USA) entwickelte Atomuhr auf einem Computerchip bedeutet darum einen echten Durchbruch. Sie besteht aus einem 4,2 Millimeter hohen Türmchen mit einer Basis vom 1,5 mal 1,5 Millimetern, der deutlich kleiner ist als ein Reiskorn. Von unten nach oben betrachtet, besteht er aus einem Halbleiterlaser, einem optischen Modul, einer auf 60 °C beheizten cäsium- oder rubidiumhaltigen Glaszelle und einem Fotodioden-Sensorsystem.
Die Technologie der Chip-Atomuhr unterscheidet sich grundsätzlich von der klassischen Atomuhr nach Ramsey. Von einem Halbleiterlaser erzeugtes Licht wird so moduliert, dass eine Frequenz von circa 9,2 GHz erzeugt wird (die entsprechende Wellenlänge liegt im Mikrowellenbereich und beträgt drei Zentimeter). In der winzigen Glaszelle, die Cäsium oder Rubidiumdampf enthält, bewirkt das Mikrowellensignal die Anregung der Atome auf ein höheres Energieniveau (letzteres entspricht dem so genannten Hyperfeinübergang, eine temperaturunabhängige magnetische Wechselwirkung zwischen Atomkern und Elektronen).
Man regelt nun die von einem externen Oszillator (z.B. ein modifiziertes Quarzuhrwerk) gelieferte Modulationsfrequenz des Laserlichts so, dass möglichst viel von diesem Signal von den Atomen absorbiert wird (dabei werden sie magnetisch umgepolt). Es gibt ein scharfes Absorptionsmaximum, wenn man die Frequenz des Cäsium-Übergangs von 9.192.631.770 Hertz erreicht. Dies macht sich durch ein Intensitätsminimum an der Fotodiode zuoberst auf dem „Turm” bemerkbar.
Über eine Regelschleife wird die Frequenz des Quarzresonators ständig der äußerst konstanten Cäsiumfrequenz angepasst. Die Frequenz des mit dem Cäsium-Übergang korrelierten Quarzresonators wird auf konventionelle Weise bis auf ein Hertz dividiert, zum Antrieb einer digitalen Anzeige oder eines Schrittschaltmotors für den Antrieb von Zeigern. Auf diese Weise erreicht man in der Praxis einen Gang von circa einer Sekunde in 300 Jahren. Dies bedeutet im Vergleich zu einem Quarzuhrwerk der Chronometerklasse mit vergleichbaren Abmessungen eine mehr als tausendfache Verbesserung, aber natürlich kommt man bei Weitem nicht an den Gang einer normalen Cäsiumuhr heran.
Die miniaturisierte Atomuhr könnte ohne weiteres im Gehäuse einer Armbanduhr untergebracht werden. Es gibt sicher einen Nischenmarkt für einen Zeitmesser, der zwar sehr teuer ist, aber lebenslänglich nie nachgestellt werden muss. Nachteilig ist die hohe Leistungsaufnahme von circa 30 Milliwatt, der die Gangreserve einer solchen Uhr (bei Versorgung einem einem Lithiumakkumulator) auf einen Tag beschränkt.
Autor: Lucien F. Trueb
Foto: NIST