Atomuhr

Allgemeines
Eine Atomuhr ist ein Gerät zur sehr genauen Messung der Zeit, deren Zeittakt der Eigenfrequenz von Caesium-Atomen abgeglichen wird. Nachfolgend die Beschreibung der Wirkungsweise einer solchen Uhr: Es wird ein Quarzoszillator VCXO (Voltage-Controlled Xtal Oscillator) als Zeitgeber benutzt, der eine  Wechselspannung mit der geregelten Frequenz fn zur Verfügung stellt. Mit dieser Frequenz fn  wird einerseits die eigentliche Uhr gesteuert und andererseits das Vergleichssignal zur konstanten Frequenz des Cs-Atomstrahls im Resonator zur Verfügung gestellt. Die Frequenz kann als Stellgröße wie bei einem Regelkreis automatisch nachgestellt werden, bis Resonanz zur konstanten Schwingung des Cäsium-Atoms erreicht ist. Wobei die Cäsium-Atome eine bekannte konstante Resonanzfrequenz von 9192 MHz besitzen. Die Wechselspannung des Quarzoszillators mit Frequenz fn wird im Frequenz-Generator in ein elektromagnetisches Wechselfeld mit fp = 9192 MHz umgewandelt. Diese "Mikrowelle" und ein Atomstrahl aus Caesium 133 werden gemeinsam in die Resonanz-Apparatur eingekoppelt, so dass die Cs-Atome bestrahlt werden und die Schwingungen der Mikrowelle und des Atoms miteinander "wechselwirken". Bei fo = fp = 9192 MHz registriert man eine resonanzartige Reaktion der Atome, die in ein Nachweissignal Id mit einer spektralen Linienbreite W umgesetzt wird. Das Signal Id enthält somit die Information, ob die Frequenz fp mit der Übergangsfrequenz der Atome fo übereinstimmt, das Signal wird so weiter verarbeitet, dass daraus ein Regelsignal Ur zur Regelung des Quartzoszillators VCXO zur Verfügung gestellt wird, dessen natürlichen Frequenzschwankungen werden so entsprechend der eingestellten Regelzeitkonstanten unterdrückt, und die Stabilität der atomaren Resonanz bestimmt die Qualität des Ausgangssignals. Vom VCXO wird meistens eine Normalfrequenz fn = 5 MHz zur Verfügung gestellt. Man rechnet meistens mit einem Umrechnungsfaktor k, so dass
fp = k * fn = k * 5 MHz = 9192,631770 MHz.

Übergänge zwischen den Energieniveaus
Die Atome des Cs-Strahls schwingen konstant 9192 MHz und man kann sich diesen Vorgang eventuell so vorstellen, dass eine Mikrowellenstrahlung von diesem Atom ausgesandt wird, wenn ein Elektron von einer höheren Bahn auf eine niedrigere fällt. Die Wellenlänge des ausgesandten Lichtes hängt dabei vom Energieabstand zwischen den Bahnen ab. Eine hohe Frequenz deutet auf einen sehr kleinen Energieunterschied hin,
Warum sind Elektronen überhaupt auf bestimmten Bahnen? Eine grundlegende und wichtige Tatsache der Quantenphysik ist es, dass die Elektronen der Atomhülle ihre spezifischen Eigenschaften haben, welche durch ihre Quantenzahlen beschrieben werden. Die Quantenzahlen bestimmen auch die Energie, die das Elektron hat, denn sie stammen von seinen Bewegungseigenschaften bzw. seinen elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Deswegen haben die Elektronen verschiedene Bahnen im Atom. Die Hauptquantenzahl bestimmt die Bahn, aber daneben gibt es weitere Zahlen wie den Spin, der eine dem Elektron eigene magnetische Größe darstellt und die Zustände ”spin up” oder ”spin down” zeigen kann. Erst, wenn man die Elektronen anregt, wechseln sie von einem Zustand zum anderen, z.B. kann man etwas Energie zuschießen, per Mikrowelle oder Photon, um ein Elektron mit "spin down" zu veranlassen, den Sprung auf das Energieniveau "spin up" zu schaffen. Das Photon wird absorbiert, aber nach einiger Zeit fällt es wieder zurück  und strahlt dabei wieder ein Photon, z.B. mit 9192,631770 MHz, beim Caesium aus. Auch das aufgenommene Photon muss genau die passende Energie haben. Nachfolgend soll der Elektronenübergang im Caesium-133 verwendet werden, von dem die Frequenz des ausgesandten oder absorbierten Photon bekannt ist. Dadurch soll eine Quartzuhr immer wieder genau nachgestellt werden.

Funktionsprinzip
Die Caesiumuhr funktioniert nach folgendem Prinzip. In einem kleinen "Ofen", welcher einige Gramm des Metalls enthält, wird Caesium-133 verdampft und zu einem Cs-Atomstrahl mit Hilfe der Düse des Ofens gebündelt. Es handelt sich hierbei um kein radioaktives Material, d.h. die Caesium-133-Atome sind stabil und zerfallen nicht.
Kennzeichnend für den Atombau des Caesiums ist, dass sich nur ein Elektron auf der äußeren Schale befindet. Die inneren Schalen sind gefüllt mit stabilen Elektronen, so dass nur das Elektron auf der äußeren Bahn Relevanz für die Zwecke einer Atomuhr hat. Das äußere Elektron  kann zwei Spinzustände einnehmen. Solange die Temperatur des Cäsiums nicht extrem niedrig ist, sind beide Zustände etwa gleich besetzt. Um den Übergang messen zu können, muss einer der Zustände selektiert werden. Wie erwähnt, hat das Elektron durch den Spin ein magnetisches Moment und kann also unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes abgelenkt werden, je nach Spin in unterschiedliche Richtungen. Der Strahl hinter dem Ofen passiert einen ersten Magneten, genannt Polarisator, der nur Atome im Energiezustand E₂ in die gewünschte Richtung ablenkt. Danach ist ein Strahl von Atomen vorhanden, bei denen alle äußeren Elektronen der Atome den Zustand ”spin down” besitzen und sich somit im energetisch tieferen Zustand befinden. Somit tritt ein zustandsselektierter Atomstrahl in den Mikrowellenresonator ein. Allgemein gilt, dass bei Übergang der Atome von dem einen in den anderen Zustand Energie in Form elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz im Mikrowellenbereich von 9192631770 Hz absorbiert oder emittiert wird. Die Atome werden durch Mikrowellenstrahlung angeregt, den energetischen Zustand zu wechseln. Je näher die Mikrowellenfrequenz bei der Eigenfrequenz der Cäsium-Atome liegt, desto grösser ist die Wahrscheinlichkeit, dass Atome in den anderen Zustand übergehen. Im Resonator können die Übergänge zwischen den beiden Zuständen stattfinden. Durch Absorption von Photonen mit der genau passenden Frequenz kann man das Elektron umklappen lassen in den Zustand "spin up". Daher lässt man den Strahl durch einen Mikrowellen-Resonator fliegen, in dem die Atome mit Mikrowellen zusammentreffen, die exakt die passende Frequenz haben, um absorbiert zu werden. In den beiden Endpartien des Resonators werden die Atome mit dem Mikrowellenfeld bestrahlt, und im Resonanzfall gehen die Atome in den Zustand E₁ über.
Nach der Wechselwirkung mit dem Mikrowellenfeld  werden die Cäsium-Atome sortiert und jene Atome, die Energie aufgenommen haben, gezählt, d.h. es wird schließlich die Besetzung des anfangs ausselektierten Zustands gemessen. Wenn die Frequenz des Mikrowellenresonators mit der Eigenfrequenz des Atoms übereinstimmt, erhält man ein Signal-Maximum. Der Analysatormagnet lenkt nun gerade diese Atome auf einen geheizten Draht. Dort werden Cs-Atome zu Cs⁺-Ionen, die durch ein magnetisches Massenfilter auf die erste Dynode eines Sekundärelektronenvervielfachers (SEV) gelenkt werden.
Das im Diagram skizzierte Detektorsignal I_D als Funktion von f_p wird als "atomares Resonanzsignal" bezeichnet. Die Breite dieses Signals liegt im Bereich von 50-500 Hz und wird durch die Flugzeit T der Atome entlang der Resonatorlänge L bestimmt. Wenn die Flugstrecke lang genug ist, kann erwartet werden, dass der Strahl hinter dem Resonator ausschließlich Atome mit "spin up" beim äußeren Elektron aufweist. Ist aber die Frequenz etwas abweichend, werden nicht genug Elektronen "umgeklappt".
Das ist die Idee wie festgestellt werden kann, ob die Uhr aus dem Takt gerät! Somit wird die Frequenz des Mikrowellen-Resonators an die Uhr gekoppelt. Hinter dem Resonator werden mit Magneten erneut die Atome nach Spin sortiert. Wenn es ein Atom gibt, bei der der Spin noch nach unten zeigt, treffen diese im unteren Detektor auf. Aus dem Verhältnis kann bestimmt werden, wie die Uhr nachgestellt werden muss, um wieder genau die richtige Frequenz zu haben - so dass die Uhr genau läuft!