Der natürliche Taktgeber von Atomuhren sind Elektronen. Sie kreisen in einer Art Hülle um den Atomkern. Mit Hilfe eines starken Lasers ist es Forschern gelungen, die Zeiteinheiten weiter zu verkleinern. Bei entsprechender Bestrahlung lassen sich Neutronen als Taktgeber heranziehen. Sie sind Teil des Atomkerns. Das steigert die Präzision gewaltig. Der Atomkern ist nämlich – verglichen mit der Atomhülle, in der die Elektronen schwirren – winzig klein.

Atomzeit reicht nicht mehr: Ionenuhr 100 Mal genauer

Atomuhren messen die Zeit bis auf 17 Kommastellen einer Sekunde genau. Die Ionenuhr schafft 19 Kommastellen – mit anderen Worten: Sie misst mit einer Genauigkeit von einer Trilliardstel Sekunde! Die Wissenschaftler nennen die Ionenuhr auch „Thorium-Uhr“, benannt nach dem Element, das sie zur Messung heranziehen.

Thorium ist ein radioaktives Metall und eignet sich am besten für die trilliardstelgenaue Zeitmessung. Es lässt sich unter starker Laserbestrahlung mit UV-Licht am ehesten in den erforderlichen angeregten Energiezustand bringen.

Genaueste Zeitmessung erleichtert Beobachtung von Naturkonstanten

„Die Ionenuhr kann uns dabei helfen, fundamentale Naturkonstanten besser zu beobachten", erklärt Thorsten Schumm, Atomphysiker an der Technischen Universität Wien. Konkret haben die Forscher die so genannte Feinstrukturkonstante im Auge. Sie bestimmt die Stärke der abstoßenden oder anziehenden Kräfte zwischen elektrisch geladenen Teilchen.

Mit der Ionenuhr können die Wissenschaftler besser verfolgen, ob sich diese als unumstößlich geltende Größe im Laufe der Zeit verändert. Solche Naturkonstanten liefern entscheidende Erkenntnisse über die Entstehung des Universums. „Bislang hat man da getrickst und in die Vergangenheit geschaut. Man hat altes Licht aus den Tiefen des Weltalls beobachtet, um einen langen Zeitraum abzudecken,“ sagt Schumm.

Ionen-Zeitmessung tickt präzise 14 Milliarden Jahre lang

Mit der Thorium-Uhr könnten die Forscher Veränderungen der Naturkonstanten künftig in Echtzeit messen. Derartig genaue Chronometer sind nur für die theoretische Physik von Bedeutung. Selbst für die satellitengestützte Navigation reichen die bisherigen Atomuhren problemlos aus.

Übrigens: Auch eien Atomuhr arbeitet nicht genau. Sie müsste nach einigen Millionen Jahren neu justiert werden. Die Ionenuhr hingegen soll 14 Milliarden Jahre ohne nennenswerte Verspätungen durchhalten. Das entspricht immerhin dem geschätzten Alter des Universums!