Mit optischen Atomuhren, die auf einen Chip passen, verbessern Forscher der Purdue University und der Technischen Universität Chalmers die Genauigkeit von Systemen der Satellitennavigation von heute rund zehn Metern auf wenige Zentimeter. Das optimiert das autonome Fahren und die Positionsbestimmung von allen elektronischen Systemen, die mit GPS ausgestattet sind. Selbst kleine Veränderungen auf der Erdoberfläche, die durch Vulkanausbrüche verursacht werden beziehungsweise diesen vorausgehen, liessen sich so erfassen, so Purdue-Forscher Minghao Qi.
Bei der Technologie werden sogenannte Frequenzkämme eingesetzt, die Frequenzen mit unvorstellbarer Genauigkeit messen können. Atomuhren bestehen aus einem Oszillator und einem Zähler. Ersterer erzeugt ein regelmässiges, sich wiederholendes Signal, während der Zähler seine Zyklen misst. In Atomuhren stammen diese Zyklen von Atomen, die zwischen zwei Energiezuständen mit einer äusserst präzisen Frequenz schwingen.
Bei optischen Atomuhren werden Schwingungen mit Laserlicht erzeugt. Deren Frequenz ist um ein Vielfaches höher als die der üblicherweise genutzten Atome. Entsprechend feiner lässt sich eine Sekunde in Bruchteile zerlegen. Das wiederum ist entscheidend für die Genauigkeit von Positionsbestimmungen. Bisherige optische Atomuhren sind allerdings so sperrig, dass sie für mobile Einsätze ungeeignet sind.
Das Team hat die Apparatur verkleinert. Ausser den Frequenzkämmen - eine Uhr benötigt zwei - haben die Forscher auch den Laser verkleinert. Sie nutzen eine Laserdiode. "Die photonische Integrationstechnologie ermöglicht es, die Komponenten optischer Atomuhren, wie Frequenzkämme, Atomquellen und Laser, auf winzigen photonischen Chips in Mikrometer- bis Millimetergrösse zu integrieren, wodurch die Grösse und das Gewicht des Systems erheblich reduziert werden", sagt Purdue-Postdoc Kaiyi Wu.
