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In Teil 1 haben wir uns die Grundlagen dafür angesehen, wie wir unsere Atomuhr so präzise machen wollen: Wir wollen dazu den Elektronenübergang im Caesium-133 verwenden, von dem wir so genau die Frequenz des ausgesandten oder absorbierten Photon kennen. Dadurch wollen wir eine Quartzuhr immer wieder sehr genau nachstellen.

Nun setzen wir unsere Uhr zusammen, dazu habe ich einmal eine Grafik auf ein Stück virtuellen Papiers hingezittert:

Zunächst fangen wir links an mit dem Ofen. Hier wird Caesium-133 verdampft und kann durch eine kleine Öffnung in einem Strahl austreten. Warum eigentlich Caesium? Caesium hat ein Elektron auf der äußeren Schale, für das wir uns interessieren. Die inneren Schalen sind gefüllt mit trägen, zufriedenen Elektronen und nur das Leuchtelektron auf der äußeren Bahn muss für unsere machenschaften herhalten. Sobald mehere Elektronen interagieren gibts wieder viele viele hässliche Effekte die wir alle nicht beachten müssen wollen.
Das Leuchtelektron kann zwei Spinzustände einnehmen. Wie in Teil 1 erwähnt, hat das Elektron durch den Spin ein magnetisches Moment, wird also unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes abgelenkt werden, je nach Spin in eine andere Richtung. Das machen wir uns zunutze und sortieren mit den Magneten hinter dem Ofen die eine Richtung aus. Jetzt haben wir einen Strahl von Atomen, bei denen alle Leuchtelektronen einen Spin nach unten haben.
Durch Absorption von Photonen mit der genau passenden Frequenz kann man das Elektron umklappen lassen in den Zustand mit spin up. Daher lassen wir unseren Strahl durch einen Mikrowellen-Resonator fliegen, in dem die Atome mit Mikrowellen zusammentreffen, die exakt die passende Frequenz haben um absorbiert zu werden. Wenn die Flugstrecke lang genug ist, erwarten wir dass der Strahl hinter dem Resonator ausschließlich Atome mit spin up beim Leuchtelektron aufweist. Ist aber die Frequenz etwas daneben, werden nicht genug Elektronen umklappen.

Das ist die Idee wie wir feststellen können ob unsere Uhr aus dem Takt gerät! Wir koppeln die Frequenz des Mikrowellen-Resonators an unsere Uhr. Hinter dem Resonator sortieren wir mit Magneten erneut die Atome nach Spin, und wenn es eine Komponente gibt bei der der Spin noch nach unten zeigt, werden diese im unteren Detektor auftreffen. Aus dem Verhältnis können wir dann bestimmen, wie wir die Uhr nachstellen müssen um wieder genau die richtige Frequenz zu haben - unsere Uhr läuft immer genau!

Wie genau das jetzt technisch realisiert wird, geht über diesen Blogeintrag hinaus (das ist die wissenschaftliche Art zu sagen: Ich habe keinen Schimmer.), aber ich finde das Prinzip bereits äußerst clever und faszinierend. Bilder vom (frühen) Caesium-Atomuhren kann man sich dann noch z.B. hier ansehen.