Am 16. Januar 2025 gaben Forscher einen bedeutenden Fortschritt bei optischen Atomuhren bekannt, eine Entwicklung, die die grundlegende Zeiteinheit, die Sekunde, neu definieren könnte. Dieser neue Ansatz übertrifft die langjährige Definition auf Basis von Cäsium, die 1967 festgelegt wurde, und hat das Potenzial für eine genauere Zeitmessung.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler die Fähigkeit demonstriert, Uhren zu entwerfen, die 1.000-mal genauer sind als ihre atomaren Pendants. Ein großes Hindernis in diesem Neudefinitionsprozess war jedoch die Herausforderung, verschiedene Uhren mit ausreichender Präzision zu vergleichen. Traditionelle Frequenzverhältnismessungen zwischen Uhren können mehrere Tage in Anspruch nehmen, was die Neudefinition erschwert.
Das neu entwickelte Multi-Ionen-Uhrendesign löst dieses Problem durch seine Skalierbarkeit; Messungen mit zehn Ionen ermöglichen zehnmal schnellere Vergleiche. Diese Innovation ist ein entscheidender Schritt zur Erreichung des erforderlichen Benchmarks zur Neudefinition der Sekunde, da das Team erfolgreich ein Frequenzverhältnis von weniger als fünf Teilen pro Billion Billion messen konnte.
Professorin Tanja Mehlstäubler betonte die Bedeutung dieser Errungenschaft und erklärte: "Wir haben wirklich einen echten Weltrekord aufgestellt, denn bisher hat niemand zwei Arten von optischen Uhren auf diesem Niveau verglichen!" Diese Leistung ist nicht nur ein Meilenstein, sondern ein Ausgangspunkt, da theoretische Modelle darauf hindeuten, dass die Multi-Ionen-Uhr die Messunsicherheit weiter reduzieren könnte.
Die Implikationen dieser Forschung gehen über die Neudefinition der Zeit hinaus. Diese fortschrittlichen Uhren sind empfindlich gegenüber winzigen gravitativen Effekten, was es ihnen ermöglicht, subtile Veränderungen in der Bewegung der Erde und der Erhebung aufgrund von Umweltveränderungen, wie dem Schmelzen von Gletschern, zu überwachen. Sie könnten auch unser Verständnis der grundlegenden Prinzipien der Physik, insbesondere in den Bereichen der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, verbessern.
Dr. Jonas Keller, einer der Hauptautoren der Studie, bemerkte das fortdauernde Potenzial dieser Systeme und erklärte: "Das System hat noch viel mehr Potenzial. Es kann auf 1x10 in systematischer Unsicherheit sinken, wie wir prinzipiell gezeigt haben." Die Forschungsarbeit, die diese Ergebnisse beschreibt, wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.