Jahrzehntelang hatte man auf der ganzen Welt darauf hingearbeitet – nun gibt es in rascher Abfolge große neue Fortschritte: In Wien steht jetzt die weltweit erste Atomkernuhr, die sich selbst stabilisiert, wie das auch bei Atomuhren üblich ist. Man konnte zeigen, dass dieses System über 24 Stunden lang ohne Eingriff stabil bleibt. Die Technik hat das Potenzial, bisherige Atomuhren an Präzision noch einmal deutlich zu übertreffen. Es ist ein wichtiger Schritt zu einer neuartigen Hochleistungs-Metrologie, mit der man eine Reihe physikalischer Größen mit bisher unerreichbarer Präzision messen kann.
Die Vorgeschichte: Vom Atomkern zur Uhr
Schon seit Jahrzehnten vermutete man, dass Thorium-Atomkerne eine ganz besondere Eigenschaft haben, die sie zum optimalen Werkzeug für extrem präzise Messungen machen: Sie haben zwei verschiedene Energiezustände, deren Energiewerte extrem knapp nebeneinander liegen. Durch diesen extrem kleinen Abstand zwischen diesen beiden Energien ist es möglich, den Atomkern gezielt mit Hilfe eines Lasers von einem Zustand in den anderen Zustand „umzuschalten“. Bei anderen Atomkernen sind die Energieabstände viel größer, sie reagieren daher nicht auf Laserlicht.
Diesen lange vermuteten Atomkern-Übergang konnte das Team von Prof. Thorsten Schumm vom Atominstitut der TU Wien zusammen mit dem Team rund um Prof. Ekkehard Peik von der PTB Braunschweig im April 2024 erstmals finden: Man konnte zeigen, dass sich Thoriumkerne mit Laserstrahlen anregen lassen. Gleich im Herbst desselben Jahres demonstrierte das Team, dass sich daraus auch tatsächlich eine hochpräzise Uhr bauen lässt: Man koppelte die Thoriumkern-Anregungsapparatur mit einer herkömmlichen optischen Atomuhr und verwendete die Thoriumkerne als Taktgeber.
Entscheidend: Die Fähigkeit zur Selbststabilisierung
Das war aber streng genommen noch nicht die Sorte von Atomkernuhr, mit der man Präzisions-Rekorde aufstellen kann. „Was man eigentlich haben möchte, ist eine selbststabilisierende Atomkernuhr“, erklärt Prof. Thorsten Schumm. „Die Grundidee ist einfach: Man hat einen Laser und man hat Thorium. Der Laser verändert den Energiezustand der Thoriumkerne, und die Thoriumkerne werden verwendet, um die Frequenz des Lasers zu stabilisieren.“
Das Herzstück der Atomkernuhr ist ein Kristall mit Thoriumatomen, der an der TU Wien hergestellt wurde. Dieser Kristall wird mit einem Laser angestrahlt. „Die Schwingung dieses Laserlichts kann man verwenden, um Zeitmessungen durchzuführen, aber die Laserfrequenz kann sich immer wieder ein kleines bisschen ändern, zum Beispiel durch Temperaturschwankungen“, erklärt Thorsten Schumm. „Für hochpräzise Messungen braucht es daher einen Mechanismus, um die Laserfrequenz exakt stabil zu halten, um die Uhr ganz präzise immer im selben Takt ticken zu lassen.“
Bei gewöhnlichen Atomuhren verwendet man dafür Atome und die Energiezustände ihrer Elektronen – Thorsten Schumms Team verwendet dafür nun Thoriumkerne. Diese Thoriumkerne absorbieren Laserlicht, aber nur dann, wenn die Laserfrequenz ganz exakt stimmt. Entfernt sich die Frequenz vom Optimalwert auch nur ein kleines bisschen, geht die Absorption messbar zurück. In diesem Fall wird die Laserfrequenz automatisch nachjustiert, die Uhr tickt weiterhin präzise. So entstand nun die erste selbstregulierende Atomkernuhr – ohne zwingend von einer herkömmlichen Atomuhr abhängig zu sein.
Hochpräzise, aber derzeit noch nicht im Weltrekordbereich
„Der große Vorteil der neuen Atomkernuhr in Wien ist: Wenn man nicht Atome, sondern Atomkerne verwendet, lässt sich im Prinzip eine viel höhere Präzision erreichen“, sagt Thorsten Schumm. Atomkerne sind über zehntausendmal kleiner als Atome, sie reagieren viel schwächer auf äußere Störungen und sind dadurch viel zuverlässigere Taktgeber.
Die Präzision der neuartigen Atomkernuhr wurde über einen Tag hinweg untersucht und liegt bei ungefähr 10 hoch minus 15 – das entspricht ungefähr einem Fehler von einer Sekunde pro 30 Millionen Jahren. „Das ist noch nicht auf dem Niveau der weltbesten optischen Atomuhren, für einen ersten Prototyp ist es aber ein fantastisches Ergebnis“, sagt Thorsten Schumm. Nun soll die Präzision noch durch mehrere Maßnahmen drastisch verbessert werden: Etwa durch stärkere Laser und bessere Thorium-Kristalle.
Anmerkung: In der selben Ausgabe von "Nature" verkündet auch eine Forschungsgruppe aus China den erfolgreichen Bau einer Atomkernuhr - als weltweit zweite Forschungsgruppe, nach dem Team aus Wien und Braunschweig.
