Statt bisherigen zehn Metern Genauigkeit

Neues GPS funktioniert dank optischen Atomuhren zentimetergenau

GPS-Technologie ermöglicht heutzutage eine Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von etwa zehn Metern – für den Alltag mehr als ausreichend, doch für autonom fahrende Fahrzeuge oder hochpräzise Navigationssysteme eine echte Herausforderung. Genau diesem Problem haben sich Forschende der Purdue University und der Technischen Universität Chalmers gewidmet – und erzielten einen Durchbruch: dank winziger optischer Atomuhren, die auf einen Chip passen, konnten sie die Positionsgenauigkeit auf wenige Zentimeter verbessern. Damit lassen sich aber nicht nur das autonome Fahren und die Positionsbestimmung von allen elektronischen Geräten optimieren – selbst kleine Veränderungen auf der Erdoberfläche, die etwa durch Vulkanausbrüche verursacht werden oder diesen vorausgehen, lassen sich damit erfassen.

So funktioniert's

Konkret setzten die Forschenden sogenannte Frequenzkämme ein, die Frequenzen mit unglaublicher Genauigkeit messen können. Atomuhren setzen sich aus einem Oszillator und einem Zähler zusammen. Der Oszillator erzeugt ein gleichmäßiges, sich wiederholendes Signal, während der Zähler seine Zyklen erfasst. In Atomuhren stammen diese Schwingungen von Atomen, die mit außergewöhnlicher Präzision zwischen zwei Energiezuständen schwingen. Optische Atomuhren nutzen hingegen Laserlicht, um diese Schwingungen zu erzeugen. Ihre Frequenz ist deutlich höher als die herkömmlich verwendeter Atome, wodurch sich eine Sekunde in noch feinere Bruchteile unterteilen lässt. Und eben das steigert die Genauigkeit, insbesondere bei Positionsbestimmungen.

Verkleinerung durch photonische Integrationstechnologie

Allerdings sind bisherige optische Atomuhren so groß und unhandlich, dass sie sich nicht für mobile Anwendungen eignen. Die Forschenden haben es nun geschafft, sowohl die beiden Frequenzkämme als auch den Laser zu verkleinern, wobei sie eine Laserdiode verwenden. "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.

Die gesamte Studie ist hier nachzulesen.

www.purdue.edu

www.chalmers.se