Um die kleinste Atomuhr der Welt zu bauen, fangen Sie ein Stickstoffatom in einem Kohlenstoffkäfig ein

Dank der ultrapräzisen Uhr in unserem Mobiltelefon wissen wir immer, wo wir uns in Zeit und Raum befinden

Bild der Atomuhr: Die Atomuhr startet mit einem Oszillator (siehe Bild), der Frequenzen nahe den Energieniveaus der verwendeten Atome erzeugt. Wenn der Oszillator von der Referenzfrequenz abweicht, ändert sich das Absorptionsmuster des Atoms. Diese Änderung wird vom Laser erkannt und das Lasersignal wird als Feedback verwendet, um den Oszillator zu justieren. Für die beste Leistung müssen die Atome elektromagnetisch isoliert sein, was eine Ausrüstung erfordert, die den gesamten Raum einnehmen kann. Foto: Nationales Physiklabor

Historisch gesehen hat jede Generation tragbarer Timer neue Möglichkeiten gebracht. Frühe Anwendungen können sich die Tatsache zunutze machen, dass eine genaue Uhr auch ein genauer Frequenzsynthesizer ist. Bei der drahtlosen Kommunikation erfordert beispielsweise das Multiplexen von Kanälen in ein Frequenzband, dass jeder Sender seine zugewiesene Trägerfrequenz strikt einhält. (Deshalb sind einige Mobilfunkmasten bereits mit Atomuhren ausgestattet.) Da zukünftige Netze wie das Internet der Dinge in einem begrenzten Spektrum überfüllt sind, werden tragbare und stabile Uhren immer notwendiger.

Aus ähnlichen Gründen profitieren GPS-Empfänger von der Borduhr. Dies mag überraschend sein, da das GPS-Signal selbst Zeitinformationen enthält, aber dies geschieht, weil das Signal des Satelliten sehr schwach ist – vergleichbar mit der Leistung einer Glühbirne, die über Kontinente übertragen wird. Landschaftsmerkmale, Gebäude und Störungen erschweren die Erkennung. Um dieses schwache Signal zu verfolgen, muss der Empfänger genau auf die Sendefrequenz einrasten. Je stabiler die lokale Frequenzreferenz ist, desto schneller und zuverlässiger wird diese Verfolgung sein.

In feindlichen Umgebungen wie Schlachtfeldern wird dies noch wichtiger. GPS-Signale sind anfällig für Interferenzen Effektive (aber illegale) GPS-Signal Störsender sind überall und werden wahrscheinlich in zukünftigen Kriegen angetroffen werden. Mit genauen Zeitinformationen können GPS-Empfänger das echte Signal vom Störgeräusch isolieren. Sogar die teilweise Zerstörung des Satellitennetzes kann der Empfänger überleben.

Heutige Empfänger müssen Signale von vier oder mehr Satelliten gleichzeitig verwenden, um ihre Position zu bestimmen, aber eine ausreichend genaue Uhr kann kontinuierliche Signale von einem einzelnen Satelliten verwenden. Andere Verteidigungsanwendungen umfassen Frequenzsprung-Kommunikation, bistatisches Radar (bei dem ein Angreifer heimlich Radarsignale von Zielen erhält, die von entfernten Sendern beleuchtet werden) und sensible Überwachung der feindlichen Kommunikation. Aus diesen Gründen ist das Militär einiger Länder sehr an tragbaren Uhren interessiert.

Schließlich kann es ganz neue Anwendungen geben. So können in Zukunft beispielsweise Lagerhallen, Postämter und sogar U-Bahnen mit lokalen Ortungssystemen über kleine Funkbasisstationen ausgestattet werden. Pakete, Ausrüstung und Personal können dann verfolgt werden, ohne dass jemand für die Paketzustellung unterschreiben oder ihren Standort an jedem Standort aufzeichnen muss. Selbst fahrerlose Autos werden von Bordgeräten profitieren, die in schwierigem Gelände (wie Tunneln) eine sehr genaue Zeit anzeigen, wo keine Satelliten-GPS-Signale verfügbar sind.

Um diese Möglichkeiten zu realisieren, müssen viele Elemente kombiniert werden. Zunächst muss die Stabilität der Atomresonanzfrequenz, von der die Uhr abhängt, optimiert werden. Damit die Technologie konkurrenzfähig ist, müssen die Frequenzschwankungen weit unter einem Teil pro Million liegen, obwohl sich Temperatur, Magnetfeld und chemische Umgebung ändern werden. Die zweite Aufgabe besteht in der Miniaturisierung und Verkleinerung der Probenzelle, des Magneten und der Hochfrequenzelektronik auf Geräte auf Chipebene. Der dritte ist die Notwendigkeit eines geringen Stromverbrauchs. Schließlich besteht ein Bedarf, eingebettete Fullerene im industriellen Maßstab herzustellen, Materialien, die es bisher nur in Milligramm gab.

Dennoch erscheinen eingebettete Fullerene auf dem Markt. LocatorX, ein Technologieunternehmen mit Sitz in Jacksonville, Florida, hat eine Lizenz für das Atomuhrenpatent von Oxford erhalten und entwickelt es für die kommerzielle Nutzung.

Um Miniatur-Atomuhren in Alltagsgeräte zu integrieren, müssen viele verschiedene Bereiche der Wissenschaft und Technik an ihre Grenzen gebracht werden. Aber Belohnungen sind sehr wichtig. Wir freuen uns auf den Tag, an dem das Herz der eingebetteten Fullerene um uns herum schlagen wird.