Das Team von Sandia Labs will die kleinste Atomuhr der Welt bauen

Feb 15, 2024

Yuan-Yu Jau, ein leitender Forscher am Sandia National Lab, möchte die kleinste Atomuhr der Welt bauen.

Wenn es ihm gelingt, werden er und sein Team von den Sandia National Laboratories eine Atomuhr bauen, die kleiner als ein Würfelzucker ist.

Die Defense Advanced Research Projects Agency forderte letztes Jahr Forschungsteams auf, kleinere, genauere Uhren zu bauen.

Jau führt eines der beiden Sandia-Teams an, die das versuchen.

„Sie wollen einen Kubikzentimeter für alles, und derzeit gibt es keine Atomuhr dieser Größe“, sagte Jau in einer Pressemitteilung von Sandia.

Das Kerndesign der Uhr, die Jau und sein Team konstruieren, ist nur 0,04 Kubikzentimeter groß, heißt es in der Pressemitteilung.

DARPA möchte, dass diese winzigen Uhren nach einer Woche auf eine Millionstelsekunde genau gehen.

Sandia baut seit Jahrzehnten Kompaktuhren. Es half Anfang der 2000er Jahre bei der Entwicklung einer 17 Kubikzentimeter großen Uhr, der sogenannten Chip Scale Atomic Clock – etwa so groß wie ein Streichholzbriefchen. Sie war damals die kleinste Atomuhr der Welt und ist noch immer die kleinste im Handel erhältliche Uhr.

Das US-amerikanische National Bureau of Standards, heute National Institute of Standards and Technology, erfand 1948 die erste Atomuhr.

Diese Uhren messen die Zeit mithilfe elektromagnetischer Signale, die von Elektronen um ein Atom herum ausgesendet werden, was sie „unglaublich präzise macht“, heißt es in der Pressemitteilung.

Atomuhren haben weitere Innovationen ermöglicht, darunter GPS.

DARPA möchte kleine, genaue Uhren entwickeln, um Fahrzeugen zu helfen, wenn GPS nicht verfügbar ist.

„Das funktioniert so, als würde man die Distanz berechnen, die man mit einem Auto auf einer langen Autobahnstrecke zurücklegt“, heißt es in der Pressemitteilung. „Wenn Sie konstant 60 Meilen pro Stunde fahren, wissen Sie nach einer Stunde, dass Sie 60 Meilen gefahren sind. Eine zuverlässige Uhr ist die halbe Miete.“

Sandia und DARPA wollen, dass ihre Uhren 30-mal genauer sind als die aktuellen, hochmodernen Kleinuhren.

Sie wollen außerdem den Stromverbrauch und die Empfindlichkeit gegenüber Temperatur und Vibration verbessern.

„Das ist eine viel größere Herausforderung als das, was die Leute bisher getan haben“, sagte Jau in der Pressemitteilung.

Sandia sagte, dass die Verringerung der Größe, des Gewichts und der Leistung von Atomuhren es einfacher mache, fortschrittliche Navigationssysteme für Marineschiffe, Drohnen und Satelliten zu nutzen.

Jau ist zuversichtlich, dass er und sein Team die Uhr bauen können, da der Plan laut Pressemitteilung im Wesentlichen schon 16 Jahre alt ist.

Als Physikdozent an der Princeton University baute Jau 2007 einen Prototyp, den er einen Laser-Atomoszillator nannte.

Es erfüllte die gleiche Funktion wie eine Atomuhr, hatte jedoch die Größe eines Werkzeugkastens. Es hatte einen uhrähnlichen Puls, der dadurch entstand, dass ein Laser durch eine Wolke aus Kaliumatomen strahlte.

Außerdem war es in sich geschlossen. Der Oszillator benötigte keine externe elektronische Ausrüstung, um seinen periodischen Impuls zu steuern.

„Unterstützungshardware ist in vielen Arten von Atomuhren üblich und nimmt normalerweise den meisten Platz ein“, heißt es in der Pressemitteilung. „Wenn man die unterstützende Elektronik von einem CSAC in Streichholzschachtelgröße entfernen würde, würde man feststellen, dass das physische Ticken in einem Paket stattfindet, das nur etwa die Größe eines Reiskorns hat.“

Jau baute einen größeren Prototyp der Atomuhr, weil dies einfacher ist.

„Weißt du, mit meinen Wurstfingern“, sagte er in der Pressemitteilung.

Jau sagte, er werde Cäsium durch Kaliumatome ersetzen und sein Design durch den Einsatz von Maschinen und Werkzeugen im Mikrosystemtechnik-, Wissenschafts- und Anwendungskomplex von Sandia verkleinern. Es handelt sich um eine hybride Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionsanlage für Mikroelektronik.

Da das Design keine Peripherie-Hardware benötigt, geht Jau davon aus, dass er die Größe, das Gewicht und den Energiebedarf von Atomuhren drastisch reduzieren kann.

„Wir werden nur das Volumen des Physikpakets nutzen, das in der bestehenden CSAC-Uhr vorhanden ist, aber wir werden die komplizierte Elektronik drumherum loswerden“, sagte Jau in der Pressemitteilung.

DARPA stellte Jau und seinem Team zwei Jahre lang Fördermittel zur Verfügung, und sie erhalten möglicherweise mehr, wenn sie Größen- und Leistungsmaßstäbe erfüllen.