Die Cäsium-Fontäne NPL-CsF2 ist die genaueste Atomuhr der Welt. Nur Uhren für kürzere Zeiten sind noch genauer, aber eben nicht über Monate hinweg. Dennoch ist auch die Atomuhr Störfaktoren ausgesetzt.

Die genaueste Atomuhr der Welt steht im Südwesten von London: Die sogenannte Cäsium-Fontäne NPL-CsF2 am nationalen britischen Physiklabor NPL in Teddington würde in 729.325.216 Jahren maximal eine Sekunde falsch gehen. Das hat eine detaillierte Analyse ergeben, die im Journal "Metrologia” erscheint. Die Genauigkeit entspricht einer Abweichung von maximal einer Nanosekunde (milliardstel Sekunde) in zwei Monaten, wie NPL-Physiker Krysztof Szymaniec erläutert. "In einer Nanosekunde fliegt das Licht 30 Zentimeter weit”, veranschaulicht er.

Mit dieser Präzision ist die im vergangenen Jahr fertiggestellte NPL-CsF2 die genaueste Uhr der Welt für den Dauerbetrieb. Nur Uhren für kürzere Zeiten erreichen zum Teil eine noch höhere Genauigkeit, aber eben nicht über Wochen und Monate, wie es für die reguläre Zeitnahme nötig ist. Die internationale Atomzeit setzt sich zusammen aus den Zeitsignalen von mehr als 200 Atomuhren wie der NPL-CsF2 in mehreren Dutzend Instituten weltweit.

Die Uhr am NPL bestimmt die Zeit über eine charakteristische Eigenschaft des Cäsium-Atoms. Das Cäsium-Isotop 133 absorbiert Mikrowellen einer ganz bestimmten Frequenz. Mit dieser Frequenz wird der Takt einer Referenzuhr abgeglichen. Je genauer sich die Cäsium-Frequenz messen lässt, desto exakter geht die Referenzuhr.

Eigenbewegung und Mikrowellenstrahlung

Störend wirkt sich dabei die Eigenbewegung der Cäsiumatome aus: Fliegen sie gerade auf den Sensor zu, erhöht sich die gemessene Frequenz, entfernen sie sich, verlängert sie sich. Dieser Doppler-Effekt lässt sich im Alltag am Martinshorn eines vorüberfahrenden Krankenwagen beobachten: Solange der Wagen dem Beobachter entgegenkommt, klingt die Sirene höher, sobald der Wagen vorüber ist, klingt sie dunkler.

Um diesen störenden Einfluss zu reduzieren, werden die Cäsiumatome in modernen Atomuhren stark abgekühlt, bis sie sich kaum noch bewegen. Dann schießt sie ein Laserstrahl durch das Mikrowellenfeld im Inneren der Uhr. In der rund 2,5 Meter hohen NPL-CsF2 werden die Atome rund einen Meter hoch geschossen und fallen anschließend wieder hinunter. Daher hat dieser Typ Atomuhr den Namen Cäsium-Fontäne bekommen.

Ein zweiter störender Einfluss ist die Kraft, die die Mikrowellenstrahlung auf die Cäsiumatome ausübt. Die exakte Berechnung beider Effekte für die NPL-CsF2 hat jetzt gezeigt, dass sich mit dieser Cäsium-Fontäne der Takt einer Referenzuhr auf rund 0,2 billionstel Promille (2,3 x 10) genau korrigieren lässt – besser als mit jeder anderen Atomuhr für den Dauerbetrieb.