Präzise synchronisierte Uhren ebnen den Weg für neue Wissenschaft

Nov 03, 2023

Von den Pendeluhren des 17. Jahrhunderts bis hin zu hochmodernen Chronometern, die auf atomaren Übergängen basieren, hat sich die Fähigkeit des Menschen, die Zeit zu bestimmen, dramatisch weiterentwickelt. Forscher sind nun einen Schritt weiter gegangen und haben gezeigt, dass sich zwei Uhren über eine Distanz von mehreren hundert Kilometern mit deutlich weniger Energie als bisher perfekt synchronisieren lassen. Dieser Fortschritt ebnet den Weg für die Schaffung von Netzwerken synchronisierter boden- und weltraumgestützter Uhren, die geodätische Untersuchungen der Erdstruktur und die Suche nach dunkler Materie und Gravitationswellen erleichtern könnten.

„Es ist ziemlich lustig, wenn man so viele Ziffern hat.“

Die meisten Menschen, außer vielleicht Spitzensportlern, denken nicht an Zeiträume, die kürzer als eine Sekunde sind. Aber Laura Sinclair, Physikerin am National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado, beschäftigt sich regelmäßig mit einem ganz anderen Zeitbereich: Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel eines Milliardstels (Billiardstel) einer Sekunde oder 15 Stellen nach dem Komma. Sogar Computerprogramme hätten oft Schwierigkeiten, mit dieser Präzision umzugehen, sagte Sinclair. „Es ist ziemlich lustig, wenn man so viele Ziffern hat.“

Sinclair und ihre Kollegen haben jetzt auf Hawaii ein Experiment durchgeführt, bei dem Laserlichtimpulse verwendet wurden, um zwei Uhren präzise und effizient bis auf die Ebene von Attosekunden zu synchronisieren – den noch kürzeren Brüdern der Femtosekunden.

Ein anderes Forscherteam hat kürzlich eine ähnliche Verbindung über eine Entfernung von 113 Kilometern demonstriert, ihr Experiment erforderte jedoch viel, viel mehr Energie und spezielle Instrumente, die atmosphärische Turbulenzen kompensierten.

Bei dem neuen Experiment arbeiteten Sinclair und ihre Mitarbeiter vom Mauna Loa Observatory aus, einer Atmosphärenforschungsstation an der Nordflanke des Mauna Loa auf der Big Island von Hawaii. Das Team feuerte zwei Laser, die jeweils 200 Millionen Mal pro Sekunde Lichtimpulse erzeugten, auf ein kleines Teleskop auf dem Gipfel des Haleakalā auf Maui. Die modifizierte Optik des Teleskops reflektierte das Licht zurück zum Mauna Loa, einem rund 300 Kilometer langen Hin- und Rückweg, und Sinclair und ihre Kollegen zeichneten die Ankunftszeiten der einzelnen Impulse auf, die wie die „Ticks“ einer sehr präzisen Uhr funktionieren.

Wie Astronomen, die auf dem nahegelegenen Mauna Kea arbeiteten, sammelten die Forscher ihre Daten hauptsächlich nachts. Aber Sonnenlicht war nicht das, was Sinclair und ihre Kollegen vermeiden wollten; Stattdessen versuchte das Team, den Wolken auszuweichen. Jeden Morgen neigen die Wolken dazu, bis zur Höhe des Mauna Loa-Observatoriums (ungefähr 3.400 Meter) aufzusteigen, bevor sie irgendwann zwischen 17 und 22 Uhr schließlich wieder unter das Observatorium sinken. Ein schwacher Laserstrahl sei den Wolken nicht gewachsen, sagte Sinclair. „Einhundertfünfzig Kilometer Wolken reichen aus, um Ihren Laserstrahl im nahen Infrarot zu stoppen.“

Die Forscher synchronisierten die Leistung ihrer beiden Laser mit einer Präzision von 0,32 Femtosekunden (320 Attosekunden). Das ist vergleichbar mit der Präzision, die mit einem anderen Ansatz erreicht wird, aber die Laser, die Sinclair und ihre Mitarbeiter verwendeten, hatten eine Leistung von nur 270 Femtowatt, also 270 Millionstel eines Milliardstel Watts. Bisher waren mehrere zehn Nanowatt Leistung erforderlich, sodass diese neuen Ergebnisse eine etwa 10.000-fache Verbesserung des Stromverbrauchs darstellen.

„Das wirklich Beeindruckende hier ist, wie wenig Strom sie verbraucht haben.“

Diese Effizienz – die sich der sogenannten Quantengrenze nähert – ermöglicht die Synchronisierung der Zeit mit kleinerer Hardware, ein entscheidender Fortschritt für die Verbindung bodengestützter Uhren und derjenigen, die sich im Orbit weit über der Erde befinden.

Möglich wurde der Fortschritt durch ein Instrument namens zeitprogrammierbarer Frequenzkamm, das Sinclair und ihre Kollegen entwickelten. Das Gerät verändert die Geschwindigkeit, mit der ein Laser pulsiert, sagte Sinclair. „Wir können die Ausgabezeit und -phase dynamisch mit einer Präzision im Attosekundenbereich anpassen.“ Dies wiederum ermöglichte es den Forschern, das gesamte empfangene Licht zur Synchronisierung der gepulsten Signale zu nutzen, anstatt wie zuvor den Großteil davon wegzuwerfen. Wenn ein Experiment Licht verschwendet, müssen mehr Photonen gesendet werden, was Strom erfordert. Sinclair und ihr Team berichteten über ihre Ergebnisse in Nature.

„Das wirklich Beeindruckende hier ist, wie wenig Energie sie verbraucht haben“, sagte David Gozzard, ein Physiker an der University of Western Australia in Perth, der nicht an der Forschung beteiligt war. Weniger Strom zu verbrauchen sei wichtig, da die gesamte Ausrüstung, die mit der Synchronisierung von Uhren verbunden sei, effizienter gestaltet werden könne, sagte er. „Ihre Systeme können kleiner und leichter sein.“

Sinclair und ihre Kollegen hoffen, in Zukunft Uhren zu synchronisieren, die sich am Boden und in einer geosynchronen Umlaufbahn in etwa 36.000 Kilometern Höhe über der Erdoberfläche befinden. Das würde laut dem Team alle möglichen interessanten Forschungsstudien eröffnen, die die Grundlagenphysik sowie die Geo- und Weltraumwissenschaften umfassen.

Einer der Grundsätze der Allgemeinen Relativitätstheorie ist beispielsweise, dass Uhren in unterschiedlichen Gravitationsfeldern die Zeit unterschiedlich schnell ansammeln. Durch die Synchronisierung der Uhren in verschiedenen Teilen der Erde – mithilfe einer Zwischenuhr auf einem Satelliten mit Sichtverbindung zu allen bodengestützten Uhren – und die anschließende Beobachtung, wie diese Uhren desynchronisieren, ist es möglich, winzige Änderungen im Gravitationsfeld der Erde genau zu untersuchen. Solche Veränderungen sind oft auf geophysikalische Prozesse wie die Bewegung von Wasser und Magma zurückzuführen. „Es herrscht Massenbewegung“, sagte Gozzard. Experimente zur genauen Zeiteinteilung könnten dabei helfen, diese Umweltveränderungen aufzudecken.

–Katherine Kornei (@KatherineKornei), Mitwirkende Autorin