In Wien-Ottakring beginnt eine neue Ära der Zeitmessung. Im Labor des Bundesamts für Eich- und Vermessungswesen (BEV) steht eine optische Uhr, die 75.000-mal präziser arbeitet als bisherige Atomuhren. Heute, am 26.10.2026, ist sie zwar noch kein Gerät, das irgendjemand im Alltag zu Gesicht bekommt. Doch innerhalb der nächsten ein bis zwei Jahre soll sie schrittweise die offizielle Zeitmessung für ganz Österreich übernehmen.

Die österreichische Normalzeit entsteht in der Arltgasse in 1160 Wien. Seit den 1980er-Jahren arbeiten dort zwei klassische Atomuhren: Eine liefert die gesetzliche offizielle Zeit, die zweite läuft dauerhaft als Absicherung mit. Die neue Uhr ist bereits installiert und hat einen einjährigen Testbetrieb absolviert. Die Messergebnisse zeigen eine deutlich höhere Präzision als bei den herkömmlichen Systemen.

Ein Ytterbium-Ion statt Cäsium

Am 29. September wurde am BEV eine hochgenaue Ytterbium-Ionenuhr installiert. Sie zählt zu den weltweit ersten kommerziell hergestellten optischen Uhren. Geliefert wurde die Anlage vom Hightech-Unternehmen Toptica. Ihre Anschaffung erfolgte im Rahmen des FFG-Projekts AQUclock in Kooperation mit der TU Wien.

Bei der Installation unterzeichneten Vertreter des BEV, des BMWET und der TU Wien einen gemeinsamen Nutzungsvertrag. Beteiligt waren unter anderem der Präsident und der Vizepräsident des BEV, der Sektionschef der BMWET-Sektion III „Nationale Marktstrategien“, Univ.-Prof. Thorsten Schumm von der TU Wien sowie der TU-Wien-Vizerektor Univ.-Prof. Peter Ertl.

Klassische Atomuhren bestimmen den Sekundentakt anhand der Schwingungen von Cäsium-Atomen. Die Wiener Anlage nutzt dagegen ein elektrisch geladenes Ytterbium-Atom, das mit hochpräzisem Laserlicht angeregt wird. Die optische Frequenz ist wesentlich höher – dadurch lässt sich die Zeit feiner vermessen.

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Die Größenordnung ist schwer vorstellbar: Würde die Uhr seit dem Urknall vor rund 13,8 Milliarden Jahren laufen, wäre sie bis heute nur um etwa eine Sekunde ungenau. Herkömmliche Atomuhren kämen in diesem Zeitraum auf eine Abweichung von rund drei Stunden.

Ein Takt für Österreich und die Welt

Österreich soll zu den ersten fünf Staaten weltweit gehören, die ihre nationale Normalzeit mit einer optischen Uhr bestimmen. Die Ytterbium-Ionenuhr am BEV soll zur Realisierung und Steuerung der koordinierten Weltzeit UTC beitragen. Durch kontinuierlich bereitgestellte präzise Messdaten wird Österreich in das internationale Zeitnetzwerk eingebunden.

International wird erwartet, dass die seit 1967 gültige, auf Cäsium basierende Definition der Sekunde künftig auf optische Uhren umgestellt wird. Derzeit ist eine Sekunde als das 9.192.631.770-Fache der Periodendauer jener Strahlung definiert, die beim Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Caesium-133 entsteht.

Für die Menschen in Österreich ändert sich zunächst scheinbar gar nichts. Smartphone-Uhren zeigen weiterhin die gewohnte Zeit an – künftig aber auf Grundlage des präziseren Takts. Im Hintergrund kann diese Genauigkeit für moderne Datennetze und künftige Technologien entscheidend sein. Auch Kommunikations- und Navigationssysteme lassen sich hochgenau synchronisieren.

Eine weitere Anwendung liegt in der Geodäsie. Kleinste Frequenzunterschiede ermöglichen es, Höhenunterschiede zu bestimmen. Die Uhr macht dabei Effekte aus Albert Einsteins Relativitätstheorie messbar: Wegen der schwächeren Erdanziehung läuft die Zeit in größerer Höhe minimal schneller. Sogar Höhenunterschiede von wenigen Zentimetern lassen sich über die gemessene Zeitspanne erfassen. Nach 80 Jahren ist der Kopf eines Menschen rechnerisch etwa 80 Nanosekunden älter als seine Füße. Nicht spürbar, aber messbar – und irgendwie schon ein ziemlich eigenartiger Gedanke.

Damit solche Unterschiede nicht im Rauschen untergehen, braucht die Anlage ein abgeschirmtes Speziallabor. Erschütterungen, Lichtschwankungen und Schallwellen können die Messungen stören. Im Labor ist also nicht nur Hightech gefragt, sondern auch Ruhe.

Vom Pendel zur optischen Resonanz

Vor den Atomuhren galt die Riefler-Präzisionspendeluhr als genaueste Uhr. Ihre Ganggenauigkeit lag bei ±4·10⁻⁴ Sekunden pro Tag. Die erste Riefler-Uhr erhielt die Universitäts-Sternwarte München am 27. Juli 1891. Weltweit waren später mehr als 150 Sternwarten mit solchen Uhren ausgestattet; bis 1965 wurden 635 Exemplare hergestellt. Als präziseste mechanische Uhr gilt sie bis heute.

Der US-Physiker Isidor Isaac Rabi regte 1945 auf Grundlage seiner Untersuchungen zur Magnetresonanz den Bau einer Atomuhr an. Harold Lyons konstruierte 1949 am US-amerikanischen National Bureau of Standards (NBS) die erste Atomuhr. Als Schwingungsquelle dienten Ammoniakmoleküle. Weil der Genauigkeitsgewinn zunächst nicht ausreichte, wurde sie 1952 auf Caesiumatome umgerüstet und erhielt den Namen NBS-1.

1955 entwickelten Louis Essen und J. V. L. Parry am britischen National Physical Laboratory eine noch genauere Caesiumuhr. Aufgrund der Ganggenauigkeit dieser Uhren wurde die Atomzeit zum internationalen Standard für die Sekunde. Die relative Standardabweichung von Atomuhren gegenüber der idealen SI-Sekunde verbesserte sich bis Ende der 1990er Jahre auf etwa 5·10⁻¹⁵ und bis 2018 auf etwa 10⁻¹⁶.

Häufig verwendete Atome für Atomuhren sind Caesium, Rubidium, Wasserstoff und zunehmend Strontium. Die typischen Arbeitsfrequenzen und relativen Standardabweichungen reichen dabei von Quarzofen (OCXO) mit 5–10 MHz und etwa 10⁻⁸ über Ammoniak mit 23.786 MHz und etwa 10⁻¹¹ bis zu Caesium-133 mit 9.192,631,770 MHz und etwa 10⁻¹³. Rubidium-87 erreicht 6.834,682,610904324 MHz und etwa 10⁻¹⁵, Wasserstoff 1.420,405,75177 MHz und etwa 10⁻¹⁵. Eine optische Strontium-87-Uhr arbeitet bei 429.228.004,229874 THz und kommt auf etwa 10⁻¹⁷.

In modernen Caesium-Fontänen werden Caesiumatome stark abgekühlt und auf etwa 1 cm/s verlangsamt. Laser beschleunigen die Atome nach oben. Ihre ballistische Flugbahn verlängert die Wechselwirkungsdauer mit Mikrowellen und verbessert die Frequenzbestimmung. Bei der Caesium-Fontäne NIST-F1 lag die relative Unsicherheit 1999 bei etwa 10⁻¹⁵, 2018 bei etwa 10⁻¹⁶ – das entspricht einer Abweichung von ungefähr einer Sekunde in 300 Millionen Jahren.

Optische Uhren können die Präzision nochmals um etwa zwei Größenordnungen steigern. Sie dienen allerdings weiterhin als sekundäre Normale, weil sie nicht auf dem Caesium-Hyperfeinstrukturübergang beruhen. Optische Resonanzen haben eine deutlich höhere Frequenz als die Caesium-Mikrowellenresonanz: Sichtbares Licht liegt bei etwa 50.000-mal höherer Frequenz, optische Uhren arbeiten mit mehreren hundert Terahertz statt rund 9 GHz.

Atome im Käfig, Laser als Maßstab

Bei optischen Uhren werden einzelne Atome in Ionenkäfigen oder Lasergittern gespeichert. Ein Laser wird auf einen schmalbandigen Übergang stabilisiert. Ein Frequenzkamm überträgt diese Stabilität ohne Genauigkeitsverlust auf ein elektrisches Signal, üblicherweise mit 10 MHz.

Hidetoshi Katori führte 2001 optische Gitteruhren ein und demonstrierte sie 2003; sie erreichten eine relative Ungenauigkeit von bis zu 10⁻¹⁸. Im Februar 2008 präsentierten Physiker des JILA in Boulder eine optische Uhr mit spinpolarisierten Strontium-87-Atomen in einem Lasergitter. Die PTB verifizierte mithilfe eines transportablen Frequenzkamms eine Frequenz von 429.228.004.229.874 ±1 Hz.

Anfang 2008 lag der Präzisionsrekord bei 10⁻¹⁷ und wurde mit einem ultragekühlten Aluminiumatom gemessen. 2013 verbesserten PTB und NIST die Präzision optischer Uhren auf 10⁻¹⁸, indem sie zwei Uhren mit jeweils etwa 1.000 Ytterbiumatomen verglichen. Bei dieser Präzision werden unter anderem der Zeeman-Effekt, Atomstöße, der AC-Stark-Effekt und die Gravitationsrotverschiebung messbar.

China präsentierte im Juli 2012 seine erste optische Uhr auf Calcium-Ionen-Basis und wurde damit das achte Land mit der Fähigkeit zur Entwicklung optischer Uhren. Beim Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen in Wien läuft nun eine optische Uhr, die künftig als österreichisches Zeitnormal dienen soll.

Vom Satelliten bis zum Atomkern

Parallel zu den Hochpräzisionsuhren werden kleine, kostengünstige und energiesparende Atomuhren für Satellitennavigationssysteme entwickelt. 2003 entstand eine Rubidium-Atomuhr mit 40 cm³ Volumen, 1 Watt Leistungsaufnahme und einer relativen Standardabweichung von etwa 3·10⁻¹². Ihre Abweichung lag bei ungefähr einer Sekunde in 10.000 Jahren.

Diese kleine Atomuhr ist ungenauer als stationäre Atomuhren, aber deutlich genauer als Quarzuhren. Eine genaue, nicht temperaturkompensierte Quarzuhr weicht ungefähr eine Sekunde pro Monat ab; die kleine Atomuhr ist dagegen etwa 120.000-mal genauer. 2011 kam eine Chip-Scale-Atomic-Clock mit 17 cm³ Volumen und einem Preis von 1.500 US-Dollar auf den zivilen Markt.

Wasserstoff-Maser sind sehr genau, aber schwieriger zu betreiben. Der erste Wasserstoff-Maser im Erdorbit wurde am 27. April 2008 auf dem Galileo-Satelliten Giove-B als Zeitbasis für die Positionsbestimmung eingesetzt. Forschungsergebnisse des MIT beschrieben 2018 außerdem eine integrierte Atomuhr im Sub-Terahertzbereich auf Basis von Carbonylsulfid.

Eine weitere mögliche Präzisionssteigerung besteht in der Nutzung angeregter Atomkerne statt der Elektronenhülle. Atomkerne sind etwa 10.000-mal kleiner als Elektronenhüllen und dadurch weniger anfällig für elektromagnetische Störungen. Der zunächst einzige bekannte geeignete Kandidat war ein Energieniveau von Thorium-229 mit einer Anregungsenergie von 8,35574 eV und einer Wellenlänge von 148,3821 nm.

Die Energie dieses Niveaus wurde im September 2019 auf 0,1 eV genau bestimmt. 2023 gelang der direkte Nachweis des zugehörigen Photons. Anfang September 2024 stellten die Technische Universität Wien und das JILA die erste funktionsfähige Atomkernuhr auf Basis eines Übergangs zwischen zwei Energieniveaus von Thoriumkernen vor.

Als Alternative wird ein Energieniveau von Scandium-45 mit 12,4 keV untersucht. Dafür wäre ein geeigneter Röntgenlaser wie der European XFEL erforderlich. Messungen bestimmten diesen Übergang 250-mal präziser als frühere Experimente. Ein weiterer niedriger Zustand existiert in Uran-235 bei 76,7 eV. Der Strahlungsübergang von Uran-235 ist jedoch mit einer partiellen Halbwertszeit von etwa 10²² Sekunden wesentlich unwahrscheinlicher als die innere Konversion, die etwa 26 Minuten dauert.