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2026-04-13T07:12:24Z

Caesium-Fontäne: Quelle: "Accuracy", ist nach VIM deutsch "Genauigkeit" und nicht Präzision!!

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[[Datei:Braunschweig PTB-Atomuhr CS 4 (2012).jpg|mini|hochkant|Die Caesium-Atomuhr „CS 4“ der [[Physikalisch-Technische Bundesanstalt|Physikalisch-Technischen Bundesanstalt]] in [[Braunschweig]] wurde 1992 in Betrieb genommen. Seit 2005 ist sie ein Exponat im [[Braunschweigisches Landesmuseum|Braunschweigischen Landesmuseum]].]]

Eine '''Atomuhr''' ist eine [[Uhr]], deren Zeittakt aus der charakteristischen Frequenz von Strahlungsübergängen der Elektronen freier Atome abgeleitet wird. Die Zeitanzeige einer Referenzuhr wird fortwährend mit dem Taktgeber verglichen und angepasst. Atomuhren sind derzeit die genauesten Uhren.

Die Messwerte von über 400 Atomuhren<ref>[https://www.timeanddate.de/zeitzonen/internationale-atomzeit ''Internationale Atomzeit (TAI)''] timeanddate.de</ref> an über 60 weltweit verteilten [[Zeitinstitut]]en werden durch [[Global Positioning System|GPS]]-Zeitvergleiche,<ref>[https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt4/fb-44/ag-442/internationale-zeitvergleiche/gps-zeitvergleiche.html ''GPS-Zeitvergleiche''] auf der Website der PTB</ref> inzwischen zunehmend durch [[Zweiweg Zeit- und Frequenzvergleich]]e (TWSTFT) verglichen.<ref>[https://www.ptb.de/cms/de/ptb/fachabteilungen/abt4/fb-44/ag-442/internationale-zeitvergleiche/zweiweg-zeit-und-frequenzvergleiche.html ''Zweiweg Zeit- und Frequenzvergleiche (TWSTFT)''] auf der Website der PTB</ref> Die Ergebnisse werden dem [[Internationales Büro für Maß und Gewicht|Internationalen Büro für Maß und Gewicht]] (BIPM) übermittelt, das aus ihnen einen gewichteten Durchschnitt bildet, der die Grundlage der [[Internationale Atomzeit|Internationalen Atomzeit]] (TAI) ist, die von der BIPM veröffentlicht wird.<ref>[http://www.bipm.org/en/bipm/tai/ ''Time – Key products of the BIPM Time Department''] auf der Website des BIPM</ref>

Die Grundlagen der Atomuhr wurden von dem US-amerikanischen Physiker [[Isidor Isaac Rabi]] an der [[Columbia University]] entwickelt, der dafür 1944 den [[Nobelpreis für Physik]] erhielt.<ref>Fritz von Osterhausen: ''Callweys Uhrenlexikon''. Callwey, München 1999, ISBN 978-3-7667-1353-7. S. 24</ref> Ein weiterer Nobelpreis im Zusammenhang mit Atomuhren wurde 1989 an den US-amerikanischen Physiker [[Norman Ramsey]] für die Verbesserung der Messtechnik bei atomaren Energie-Übergängen verliehen.

Atomuhren sind nicht zu verwechseln mit der symbolischen [[Weltuntergangsuhr|Atomkriegsuhr]], die die Gefahr eines bevorstehenden Atomkriegs anzeigt.

== Funktionsweise ==
[[Datei:Wie wird eine Sekunde mit Hilfe der Atomuhr definiert?.webm|mini|Video: Wie wird eine Sekunde ([[Ephemeridensekunde]]) mit Hilfe der Cäsium-Atomuhr definiert? (2:16 min)]]
Uhren können die Zeit umso genauer angeben, je konstanter die Schwingung ihres Taktgebers ist. Bei Räderuhren sind dies das [[Pendeluhr|Pendel]] oder die [[Unruh (Uhr)|Unruh]], bei der [[Quarzuhr]] ist es ein [[Schwingquarz]], der die Frequenz eines [[Quarzoszillator]]s konstant hält. In Atomuhren macht man sich die Eigenschaft von Atomen zu Nutze, beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz abzustrahlen oder zu absorbieren.

In einer Atomuhr erzeugt ein temperaturkompensierter Quarzoszillator ein [[elektromagnetisches Wechselfeld]], dem die Atome ausgesetzt werden. Bei einer ganz bestimmten [[Frequenz]] absorbieren die Atome besonders viel Energie und strahlen diese in andere Richtungen ab. Diese [[Resonanz (Physik)|Resonanz]] wird verwendet, um die Frequenz des Quarzoszillators mittels einer [[Phasenregelschleife|Regelschleife]] extrem stabil zu halten: Weicht die Frequenz von der Resonanz ab, wird dies erkannt. Die Frequenz des Quarzoszillators wird dann entsprechend angepasst, um wieder die Resonanzfrequenz der Atome zu treffen. Die Stabilität der Resonanz selbst bestimmt jetzt die Frequenzstabilität des Ausgangssignals. Ausgelesen wird schließlich das Zeitsignal der Quarzuhr.<ref name="info2">{{cite web |url=http://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt4/fb-44/ag-441/realisierung-der-si-sekunde/funktionsweise-und-typische-technische-realisierungen-von-atomuhren.html |title=Funktionsweise und typische technische Realisierungen von Atomuhren |publisher=Arbeitsgruppe 4.41 der PTB |date=2015-06-11 |accessdate=2016-04-26}}</ref>

== Geschichte und Entwicklungen ==
[[Datei:Atomic Clock-Louis Essen.jpg|mini|Louis Essen und J. V. L. Parry zeigen die Caesiumuhr (1955)]]
[[Datei:Cäsiumatomuhr CS1 Deutsches Museum Bonn.jpg|mini|Atomstrahlsystem der Cäsium-Atomuhr CS 1 im [[Deutsches Museum Bonn|Deutschen Museum Bonn]]]]
Vor der Entwicklung der Atomuhren war die [[Riefler-Pendel|Riefler Präzisionspendeluhr]] die präziseste Uhr mit einer Ganggenauigkeit von {{ZahlExp|4|-4|pre=±|post=s/Tag}}. Die erste dieser Uhren erhielt die [[Universitäts-Sternwarte München]] am 27. Juli 1891. Sie war in über 150 Sternwarten weltweit im Einsatz. Insgesamt wurden bis 1965 davon 635 Exemplare hergestellt. Bis heute ist sie die präziseste mechanische Uhr geblieben.

Aufbauend auf seine in den 1930er Jahren durchgeführten Untersuchungen zu [[Kernspinresonanzspektroskopie|Magnetresonanzverfahren]], regte 1945 der US-amerikanische Physiker [[Isidor Isaac Rabi]] den Bau einer Atomuhr an. Eine erste Atomuhr wurde 1949 im [[National Institute of Standards and Technology|National Bureau of Standards (NBS)]] in den Vereinigten Staaten unter Verwendung von [[Ammoniak]]-Molekülen als Schwingungsquelle von [[Harold Lyons]] konstruiert. Da sie aber noch nicht den erhofften Genauigkeitsgewinn erbrachte, wurde die Uhr drei Jahre später überarbeitet und auf die Verwendung von [[Caesium]]atomen umgerüstet.<ref name="NIST_atomichistory">{{cite web |url=https://tf.nist.gov/cesium/atomichistory.htm |title=A Brief History of Atomic Clocks at NIST |publisher=NIST |accessdate=2010-12-12 | language=en }}</ref> Sie erhielt den Namen ''NBS-1''.

1955 folgte dann eine noch genauere Caesiumuhr vom Physiker [[Louis Essen]] und J. V. L. Parry am [[National Physical Laboratory]] in Großbritannien.

Aufgrund der hervorragenden Gangergebnisse dieser Uhren wurde die ''Atomzeit'' als internationaler Standard für die Sekunde definiert. Seit Oktober 1967 beträgt die Zeitdauer einer [[Sekunde]] im [[Internationales Einheitensystem|internationalen Einheitensystem]] per Definition ''[…] das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden [[Hyperfeinstruktur]]niveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung''.<ref>{{cite web |url=http://www.ptb.de/de/org/4/44/441/info1.htm#Sekunde |title=Die Geschichte der Zeiteinheit / Die Sekundendefinition von 1967 |publisher=Arbeitsgruppe 4.41 der PTB |date=2003-01-01 |accessdate=2010-12-13 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20030907191201/http://www.ptb.de/de/org/4/44/441/info1.htm |archivedate=2003-09-07}}</ref>

Im Laufe der Jahre wurde die Genauigkeit der Atomuhren immer weiter gesteigert. Bis Ende der 1990er Jahre wurde eine [[Variationskoeffizient|relative Standardabweichung]] zur ''idealen'' SI-Sekunde von etwa 5·10−15 erreicht,<ref name="NIST_atomichistory" /> bis 2018 bereits 10−16.<ref name="CGPM2018-report-CTF" /> Mit optischen Uhren kann die [[Präzision]] nochmals um zwei Größenordnungen verbessert werden;<ref name="CGPM2018-report-CTF" /> sie ermöglichen allerdings keine [[Genauigkeit|genauere]] Realisierung der SI-Sekunde, weil sie nicht auf dem HFS-Übergang von Caesium beruhen und daher nur als sekundäre Normale dienen können.

=== Hochpräzise Atomuhren ===
[[Caesium]], [[Rubidium]], [[Wasserstoff]] und neuerdings [[Strontium]] sind die gängigsten Atome, mit denen Atomuhren betrieben werden. Die Tabelle stellt ihre Eigenschaften gegenüber. Zum Vergleich sind die Werte für einen beheizten Schwingquarz, den sogenannten [[Quarzofen]] (OCXO), sowie Ammoniak mit aufgenommen.

{| class="wikitable zebra"
!Typ
!Arbeitsfrequenz in [[MHz]]
!Relative [[Allan-Varianz|Standardabweichung]] typischer Uhren
|-
|Quarzofen (OCXO)
|{{0|000 000 00}}5 bis 10
|10−{{0|0}}8
|-
|NH3
|{{0|000 0}}23 786<ref name="info2" />
|10−11
|-
|133Cs
|{{0|000 00}}9 192,631 77<ref name="info2" /> {{FN|Anm. 1}}
|10−13
|-
|87Rb
|{{0|000 00}}6 834,682 610 904 324<ref>[http://www.bipm.org/utils/common/pdf/mep/SRS_87Rb_6834.pdf BIPM-Dokument] (PDF; 207 kB)</ref>
|10−15
|-
|[[HI-Linie|1H]]
|{{0|000 00}}1 420,405 751 77
|10−15
|-
|Optische Atomuhr (87Strontium)
|429 228 004,229 874
|10−17
|}

{{FNZ|Anm. 1|[[Sekunde#Definition|Definition der Sekunde]]}}

Neben Caesium, Rubidium und Wasserstoff werden auch andere Atome oder Moleküle für Atomuhren verwendet.

=== Caesium-Fontäne ===
[[Datei:Nist-f1.jpg|mini|NIST-F1, Quelle der offiziellen Zeitmessung der USA]]
In neueren Atomuhren arbeitet man mit thermisch abgebremsten [[Atom]]en, um die Genauigkeit zu erhöhen. In der „Caesium-Fontäne“ (engl.: ''Cesium fountain'') werden Caesiumatome dazu stark abgekühlt, sodass sie nur noch etwa einen Zentimeter pro Sekunde schnell sind. Die langsamen Atome werden dann mit einem Laser nach oben beschleunigt und durchlaufen eine [[Ballistik|ballistische Flugbahn]] (deswegen der Ausdruck Caesium-''Fontäne''), hierdurch kann die effektive Wechselwirkungsdauer der Atome mit den eingestrahlten Mikrowellen verlängert werden, was eine exaktere Frequenzbestimmung erlaubt.
Die relative Unsicherheit der Caesium-Fontäne ''NIST-F1'' lag im Jahr 1999 bei nur etwa 10−15;<ref name="NIST_atomichistory" /> bis 2018 wurde die [[Genauigkeit]] auf 10−16 gesteigert,<ref name="CGPM2018-report-CTF" /> was einer Abweichung von einer Sekunde in 300 Millionen Jahren entspricht.

=== Optische Uhr ===
In einer Atomuhr wird die Frequenz einer atomaren Resonanz gemessen. Dies gelingt umso präziser, je höher die Frequenz der Resonanz ist. Sichtbares Licht hat eine etwa 50.000-fach höhere Frequenz als die beim Caesium genutzte Mikrowellenstrahlung. Eine Atomuhr, die mit einer optischen Resonanz arbeitet, kann aus diesem Grund deutlich präziser sein. Seit einigen Jahren wird daher an der Realisierung einer optischen Atomuhr gearbeitet, die eine höhere Genauigkeit aufweist als die aktuell genutzten Caesium-Uhren.

Zu diesem Zweck werden Experimente mit Elementen gemacht, die geeignete Übergänge bei optischen Wellenlängen haben. Hierdurch erreicht man Frequenzen von hunderten Terahertz an Stelle der herkömmlichen 9 GHz. In diesen Experimenten werden einzelne Atome in einem [[Ionenkäfig]] gespeichert. Ein Laser wird auf einen schmalbandigen Übergang stabilisiert. Die Stabilität der Frequenz dieses Laserlichts wird anschließend ohne Genauigkeitsverlust auf ein periodisches [[elektrisches Signal]] übertragen. Dies gelingt mit einem [[Frequenzkamm]]. Als Frequenz für das elektrische Signal ist 10 MHz üblich.

Auf [[Optisches Gitter (Quantenoptik)|Optischen Gittern]] basierende Atomuhren führte 2001 [[Hidetoshi Katori]] ein (Optical lattice clock), der sie 2003 demonstrierte und bis zu einer relativen Ungenauigkeit in der Zeitmessung von 10−18 entwickelte.

Physiker vom [[Joint Institute for Laboratory Astrophysics|JILA]] in [[Boulder (Colorado)]] haben im Februar 2008 eine ''optische Atomuhr'' präsentiert, die auf spinpolarisierten 87[[Strontium]]-Atomen basiert, welche in einem [[Optisches Gitter (Quantenoptik)|Gitter]] aus [[Laser]]licht gefangen sind. Es gelang der PTB mit Hilfe ihres transportablen Frequenzkamms eine Frequenz von 429.228.004.229.874 ±1 Hz zu verifizieren.<ref>{{cite news |url=http://www.ptb.de/de/publikationen/jahresberichte/jb2007/nachrdjahres/ndj05d.html |title=Messung der Frequenz einer optischen Atomuhr und deren Übertragung per Glasfaser |publisher=PTB |date=2007 |accessdate=2010-12-13 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20081208180659/http://www.ptb.de/de/publikationen/jahresberichte/jb2007/nachrdjahres/ndj05d.html |archivedate=2008-12-08}}</ref> Der Rekord lag Anfang 2008 bei 10−17, gemessen an einem ultragekühlten Aluminiumatom.<ref>{{cite news |title=New optical clock promises increased accuracy |language=en |publisher= |work=physicsworld.com |date=2008-10-05 |accessdate=2010-12-12 |url=http://physicsworld.com/cws/article/news/33295 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20111019230933/http://physicsworld.com/cws/article/news/33295 |archivedate=2011-10-19 |offline=yes |author=Michael Banks}}</ref>


Im August 2013 konnte am selben Institut in einer Zusammenarbeit mit dem [[NIST]] die [[Präzision]] (nicht zu verwechseln mit [[Genauigkeit]]) einer optischen Atomuhr auf 10−18 verbessert werden. Dies gelang durch den Vergleich zweier baugleicher Uhren, die wie oben auf spinpolarisierten Atomen basiert, hier jedoch auf jeweils ca. 1.000 [[Ytterbium]]-Atomen. Die größere Anzahl an Atomen erlaubt eine vergleichsweise schnelle Bestimmung der Präzision der Uhren durch Mittelung über die Messdaten.<ref name="Science">N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, A. D. Ludlow: ''An Atomic Clock with 10-18 Instability.'' In: ''Science.'' 341, 2013, S. 1215–1218, [[doi:10.1126/science.1240420]].</ref>

Auf dem erreichten Präzisionsniveau wird eine Vielzahl von Effekten sichtbar, die die beobachtete Frequenz beeinflussen. Dazu gehören z. B. der [[Zeeman-Effekt]], Stoß-Wechselwirkung zwischen den Atomen, der [[Stark-Effekt|AC-Stark-Effekt]] oder die [[Gravitationsrotverschiebung]].

Im Juli 2012 präsentierte China zum ersten Mal eine an der Akademie der Wissenschaften in [[Wuhan]] entwickelte optische Uhr, die auf Calcium-Ionen basiert. China wurde damit nach den USA, Deutschland, Großbritannien, Frankreich, Kanada, Österreich und Japan das achte Land, das optische Uhren entwickeln kann.<ref name="xinhuanet">{{Webarchiv |url=http://news.xinhuanet.com/english/china/2012-07/12/c_131711882.htm |wayback=20120715070848 |text=''China unveils first optical clock.''}}. Xinhua, 12. Juli 2012.</ref>

=== Kleinformatige Atomuhren für die praktische Anwendung ===
[[Datei:ChipScaleClock2 HR.jpg|mini|Chip-scale Atomuhr vom [[NIST]]]]
Eine andere Entwicklungslinie neben den hochpräzisen Uhren verfolgt den Bau preiswerter, kleiner, leichter und energiesparender Uhren, z. B. für den Einsatz in [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]] von [[Satellitennavigation]]ssystemen wie [[Global Positioning System|GPS]], [[GLONASS]] oder [[Galileo (Satellitennavigation)|Galileo]], um so die [[Positionierungsgenauigkeit]] zu erhöhen. Im Jahr 2003 gelang es, eine [[Rubidium-Atomuhr]] zu bauen, die nur ein Volumen von 40 cm³ einnimmt und eine elektrische Leistung von einem Watt aufnimmt. Dabei erreicht sie eine relative Standardabweichung von ca. 3 · 10−12. Das entspricht einer Abweichung von einer Sekunde in 10.000 Jahren. Damit ist die Uhr zwar deutlich ungenauer als die großen stationären Atomuhren, aber erheblich genauer als eine Quarzuhr. (Genaue, nicht temperaturkompensierte [[Quarzuhr]]en haben eine Abweichung von rund einer Sekunde in einem Monat. Verglichen mit diesen ist diese kleine Atomuhr 120.000-mal genauer.)

[[Wasserstoff-Maser-Uhr]]en zur Anregung der Schwingung sind ebenfalls hochgenau, aber schwieriger zu betreiben. Der erste Wasserstoff-Maser im Erdorbit ist auf dem [[Galileo (Satellitennavigation)#Erste und zweite Phase: Planung|Galileo-Navigationssatelliten Giove-B]] am 27. April 2008 als [[Zeitbasis]] für die Ortsbestimmung in die Umlaufbahn transportiert worden.<ref>{{cite news |url=http://www.dlr.de/desktopdefault.aspx/tabid-12/114_read-12329/ |title=Giove-B erfolgreich gestartet |publisher=[[Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt]] |date=2008-04-27 |accessdate=2010-12-12 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20081120065638/http://www.dlr.de/desktopdefault.aspx/tabid-12/114_read-12329/ |archivedate=2008-11-20}}</ref>

=== Atomuhren in integrierten Schaltkreisen ===
Im Jahr 2011 kam eine portable [[Chip-Scale-Atomic-Clock]] (CSAC) mit einem Volumen von 17 cm³ zu einem Preis von $1500 auf den zivilen Markt.<ref>{{Internetquelle |url=https://share.sandia.gov/news/resources/news_releases/atomic-clock/ |titel=Sandia Labs News Releases |autor= |hrsg=Sandia National Laboratories |werk= |datum=2011-05-02 |abruf=2013-04-28 |sprache=en |format= |offline=ja |archiv-url=https://web.archive.org/web/20130217123429/https://share.sandia.gov/news/resources/news_releases/atomic-clock/ |archiv-datum=2013-02-17 }}</ref>

Am [[Massachusetts Institute of Technology|MIT]] wurden 2018 Forschungsergebnisse publiziert, die eine integrierte Atomuhr im Sub-[[Terahertzstrahlung|Terahertzbereich]] auf [[Carbonylsulfid]]-Basis beschreiben.<ref>C. Wang, X. Yi, J. Mawdsleyet al.: ''An on-chip fully electronic molecular clock based on sub-terahertz rotational spectroscopy.'' Nat Electron 1, 421–427 (2018). [[doi:10.1038/s41928-018-0102-4]]</ref>

=== Atomkernuhr ===
Eine weitere Steigerung der Präzision wird von einer Uhr erwartet, die das angeregte Niveau eines [[Atomkern]]s statt der [[Atomhülle]] nutzt. Der Atomkern ist etwa zehntausendmal kleiner als die Elektronenhülle und daher viel weniger anfällig für elektromagnetische Störfelder. Damit das Niveau mit Laserlicht angeregt werden kann, darf die Anregungsenergie nur wenige [[Elektronenvolt]] betragen, ein für Kerne extrem kleiner Wert. Der einzige bekannte Kandidat dafür, ein Niveau im [[Nuklid]] [[Thorium|Thorium-229]], wurde im September 2019 so genau vermessen, dass der Bau einer solchen genaueren ''Kernuhr'' in den Bereich der Möglichkeiten rücken könnte.<ref>Peter Thirolf, Benedict Seiferle, Lars von der Wense: [https://cerncourier.com/a/from-atomic-to-nuclear-clocks/ From atomic to nuclear clocks], CERN-Courier vom 5. September 2022, abgerufen am 12. Januar 2023</ref><ref>[https://www.thoriumclock.eu thorium nuclear clock] – EU-Projekt zur Entwicklung einer Atomkernuhr</ref> Die Anregungsenergie beträgt 8,35574 [[Elektronenvolt|eV]], entsprechend einer Wellenlänge von 148,3821 nm.<ref name="scinexx-atomkern" /><ref>{{Literatur |Autor=Peter Thirolf |Titel=Shedding Light on the Thorium-229 Nuclear Clock Isomer |Sammelwerk=Physics |Band=17 |Datum=2024-04-29 |DOI=10.1103/PhysRevLett.132.182501 |Seiten=71 |Online=https://physics.aps.org/articles/v17/71 |Abruf=2024-05-02}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=J. Tiedau, M.V. Okhapkin, K. Zhang, J. Thielking, G. Zitzer, E. Peik,
F. Schaden, T. Pronebner, I. Morawetz, L. Toscani De Col, F. Schneider,
A. Leitner, M. Pressler, G.A. Kazakov, K. Beeks, T. Sikorsky, T. Schumm |Titel=Laser Excitation of the Th-229 Nucleus |Hrsg=Tu Wien |Ort=Wien |Datum=2024-03-12 |Sprache=en |Seiten=6 |Online=https://www.tuwien.at/fileadmin/Assets/tu-wien/News/2024/Thorium_Preprint.pdf}}</ref>

Die erste funktionsfähige Atomkernuhr, die auf dem Übergang zwischen zwei Energieniveaus von Thoriumkernen basiert, wurde durch eine Kooperation der [[TU Wien|Technische Universität Wien]] mit dem JILA realisiert und Anfang September 2024 vorgestellt.<ref>{{Internetquelle |autor=Technische Universität Wien |url=https://nachrichten.idw-online.de/2024/09/04/die-erste-atomkern-uhr-der-welt|titel=„Die erste Atomkern-Uhr der Welt“ |datum=2024-09-05 |sprache=de |abruf=2024-09-05}}</ref>

Eine Alternative wäre ein Energieniveau in Scandium-45, das mit 12,4 keV ebenfalls vergleichsweise niedrig liegt, aber einen passenden Röntgenlaser erfordert, wie den [[European XFEL]].<ref name="scinexx-atomkern-sc45" /> Hieran sind bereits Messungen erfolgt, die diesen Übergang 250 Mal präziser als bisherige Experimente bestimmen.<ref>{{Internetquelle |autor=Welt der Physik |url=https://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/hadronen-und-kernphysik/european-xfel-ein-wichtiger-schritt-hin-zu-einer-kernuhr/ |titel=„Ein wichtiger Schritt hin zu einer Kernuhr“ |datum=2024-01-04 |sprache=de |abruf=2024-03-18}}</ref>

== Einsatz in Deutschland, Österreich und der Schweiz ==
[[Datei:Atomuhr-CS2.jpg|mini|Atomuhr ''CS2'' der PTB]]
In Deutschland betreibt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig vier Atomuhren. Dazu gehören auch zwei „Caesium-Fontänen“, die im Regelbetrieb laufen. Seit 1991 liefert die Cäsium-Uhr CS2 das Zeitnormal für die gesetzliche Zeit (Sekunden).<ref>{{Internetquelle |autor= |url=https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt4/fb-44/fragenzurzeit/fragenzurzeit11.html |titel=Seit wann läuft die erste Atomuhr in der PTB? |werk= |hrsg=PTB |datum=2010-11 |sprache= |zugriff=2015-11-28 |abruf-verborgen=1}}</ref> [[Funkuhr]]en können diese Zeit über den [[DCF77|Zeitzeichensender DCF77]] empfangen. Seit 1990 ist dies sogar mit Armbanduhren möglich. Die [[Junghans Mega|MEGA]] war die erste Funkarmbanduhr der Welt mit Zeigern. Die Atomzeit ist auch im Internet per [[Network Time Protocol]] (NTP) abrufbar.

In [[Österreich]] betreibt das [[Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen]] (Labor für Frequenz, Zeit) mehrere Atomuhren. Die Master Clock liefert UTC(BEV). Diese Zeit können Computer über das NTP von den Stratum-1-Servern empfangen.

In der [[Schweiz]] betreibt das ''Labor für Zeit und Frequenz'' des [[Bundesamt für Metrologie|Bundesamts für Metrologie]] (METAS) mehrere Atomuhren, mit der die schweizerische Atomzeit TAI(CH) geführt und die schweizerische Weltzeit UTC(CH) errechnet wird. Diese kann über das Internet durch das [[Network Time Protocol|NTP-Protokoll]] abgefragt werden. Bis 2011 konnten Funkuhren auch über den [[HBG (Zeitzeichensender)|Zeitzeichensender HBG]] dieses Zeitsignal empfangen.<ref>{{cite web |url=http://www.swissworld.org/de/switzerland/dossiers/schweizer_uhren/die_genauste_uhr_der_schweiz/ |title=Spezielle Uhren: Die genauste Uhr der Schweiz |work=swissworld.org |publisher=Präsenz Schweiz |accessdate=2010-12-13}}</ref>

== Anwendungsgebiete ==
Atomuhren dienen zum einen der exakten Zeitmessung von Abläufen, zum anderen der genauen Zeitbestimmung und der Koordinierung verschiedener Zeitsysteme und -skalen. So entsteht etwa durch Abgleich der international bestimmten Atomzeit (TAI) mit der astronomischen Zeit ([[UT1]]) die [[Koordinierte Weltzeit]] (UTC). In Mitteleuropa erhalten Funkuhren das UTC-basierte Zeitsignal über den in Deutschland stationierten Sender [[DCF77]]. Das britische Pendant ist der Sender [[MSF (Zeitzeichensender)|MSF]].


=== Anwendungsbeispiele ===
* In vielen Standards-Instituten weltweit wird die ursprünglich von [[Hewlett-Packard]] entwickelte und später von [[Agilent]], dann [[Symmetricom]] und zuletzt [[Microsemi]] vertriebene Caesiumuhr Modell 5071A eingesetzt,<ref>Caesiumuhr Modell 5071A: [http://www.microsemi.com/products/timing-synchronization-systems/time-frequency-references/cesium-frequency-standards/5071a Herstellerseite Microsemi]</ref> z. B. im Atomuhr-Labor des U.S. Naval Observatory.<ref>{{Webarchiv|url=http://www.usno.navy.mil/USNO/time/master-clock |wayback=20100310143915 |text=Atomuhr-Labor des U.S. Naval Observatory }}</ref>
* Im [[Atomic Clock Ensemble in Space]] (ACES), einem Teil des [[Columbus (Raumlabor)|Columbus-Raumlabors]], sollen zwei Caesium-Atomuhren für die Verwendung bei Galileo getestet werden.
* Rubidiumuhren können in kompakten Abmessungen und preisgünstig hergestellt werden. Sie werden in den Bereichen Telekommunikation, Energieversorgung und zum Kalibrieren in der Industrie verwendet. Ein sehr hoch entwickeltes Modell arbeitet in der neuesten Generation der Satelliten des GPS-Navigationssystems.
* Ein Rubidium-Oszillator stabilisierte die Trägerfrequenz des [[Sender Donebach|Langwellen-Rundfunksenders Donebach]].
* Im [[Internet]] werden die Zeitimpulse zahlreicher Atomuhren mittels ''[[Network Time Protocol]]'' (NTP) frei für alle zur Verfügung gestellt.
* Rubidiumuhren kommen in hochwertigen [[Wordclock]]-Generatoren zum Einsatz, um Verbände digitaler Audiogeräte miteinander zu synchronisieren.

== Literatur ==
* C. Audoin und J. Vanier: ''Atomic frequency standards and clocks''. Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1976.
* Rexmond D. Cochrane: ''Measures for Progress: A History of the National Bureau of Standards''. U.S. Department of Commerce, Washington D. C. 1966.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Atomic clocks|Atomuhr}}
{{Wiktionary}}
* {{DNB-Portal|4259141-7}}
* [https://uhr.ptb.de/ Die aktuelle Zeit der Atomuhren – ''Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)'' in Braunschweig]
* [http://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt4/fb-44/ag-441.html Arbeitsgruppe Zeitnormale – ''Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)'' in Braunschweig]
* [http://www.boulder.nist.gov/timefreq/cesium/atomichistory.htm Geschichte: Zeitleiste der Entwicklung – ''National Institute of Standards and Technology (USA)'' (englisch)]
* [http://www.makingthemodernworld.org.uk/icons_of_invention/science/1939-1968/IC.064/ Geschichte: Die Atomuhr von Essen und Perry – ''National Museum of Science and Industry (UK)'' (englisch)]
* {{Webarchiv | url=http://www.aero.org/publications/crosslink/summer2002/01.html | wayback=20120119005341 | text=Anwendung: Globale Navigation (englisch)}} (archivierte Seite von aero.org)
* [http://www.sueddeutsche.de/wissen/physik-exakt-im-takt-1.3114064 Artikel über die Verbindung der Strontium-Uhren von Braunschweig und Paris (Süddeutsche Zeitung)]

== Einzelnachweise ==
<references responsive >
<ref name="scinexx-atomkern">
{{Internetquelle |url=https://www.scinexx.de/news/physik/durchbruch-auf-dem-weg-zur-atomkern-uhr/ |titel=Durchbruch auf dem Weg zur Atomkern-Uhr |autor=Nadja Podbregar |werk=scinexx.de |datum=2023-05-23 |abruf=2023-05-23 |sprache=de}}
</ref>
<ref name="scinexx-atomkern-sc45">
{{Internetquelle |url=https://www.scinexx.de/news/physik/quantensprung-im-scandium-atomkern/ |titel=Quantensprung im Scandium-Atomkern |autor=Nadja Podbregar |werk=scinexx.de |datum=2023-09-30 |abruf=2023-09-30 |sprache=de}}
</ref>
<ref name="CGPM2018-report-CTF">
[http://www.bipm.org/utils/common/pdf/CGPM/CGPM26.pdf#page=347 Tagungsbericht der 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht], 2018, Seite 70 (französisch) und Seite 347 (englisch), abgerufen am 7. Okt. 2020
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[[Kategorie:Uhrentyp]]
[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Wikipedia:Artikel mit Video]]

Atomuhr - Versionsgeschichte

imported>Cms metrology: /* Caesium-Fontäne */ Quelle: "Accuracy", ist nach VIM deutsch "Genauigkeit" und nicht Präzision!!