Thorium-Kernuhr: Erster Prototyp eröffnet neue Präzision

Der erste Prototyp einer Kernuhr

Erst vor wenigen Monaten gelang ein Durchbruch, auf den die Forschung jahrzehntelang hingearbeitet hatte. Nun wird sein Potenzial bereits deutlich: Die Messung des Energieabstands zwischen Quantenzuständen eines Thoriumkerns ermöglichte die Entwicklung der ersten rudimentären Kernuhr.

Ein Physikteam koppelte eine Strontium-Atomuhr mit einem Kristall, der Thoriumkerne enthält. Damit demonstrierten die Forschenden erfolgreich die Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur ersten vollständig entwickelten Kernuhr.

Dieser noch bevorstehende Meilenstein würde eine völlig neue Ära der extrem präzisen Zeitmessung einläuten.

„Mit diesem ersten Prototypen haben wir nachgewiesen: Thorium lässt sich als Zeitgeber für Messungen mit extrem hoher Präzision einsetzen“, erklärt der Physiker Thorsten Strumm von der Technischen Universität Wien.

„Nun steht nur noch technische Entwicklungsarbeit an; größere Hindernisse sind nicht mehr zu erwarten.“

Wie Atomuhren und Kernuhren funktionieren

Eine Atomuhr nutzt das äußerst regelmäßige „Ticken“ von Atomen. Dieses entsteht, wenn Atome durch einen Laser zwischen Energiestufen wechseln; maßgeblich sind dabei die Zustände der Elektronen, die den Atomkern umkreisen.

Beim Kern selbst ist dies jedoch deutlich schwieriger umzusetzen. Um seinen Energiezustand zu verändern, wird wesentlich mehr Energie benötigt als für einen Wechsel des Energiezustands von Elektronen.

Eine Kernuhr wäre dennoch besonders attraktiv, weil sie erheblich stabiler und präziser als eine Atomuhr sein könnte. Dadurch würden genauere Messungen des physikalischen Universums möglich – mit Folgen für Bereiche von der Navigation bis zur Suche nach Dunkler Materie.

Zu Beginn dieses Jahres wurde die Messung des Energiesprungs eines Thoriumkerns bekannt gegeben, also der Differenz zwischen seinen Energiezuständen. Dadurch konnten Strumm und sein Team die exakte Energie bestimmen, die nötig ist, um den Zustandswechsel auszulösen – den Taktmechanismus einer Kernuhr.

Anschließend galt es zu zeigen, dass sich aus diesem Ticken tatsächlich eine Uhr erzeugen lässt. Genau diesen Nachweis haben Strumm und seine Kolleginnen und Kollegen nun erbracht.

Thoriumkristall wird mit Strontium-Atomuhr gekoppelt

Die vorgestellte Uhr ist noch keine vollwertige Kernuhr, sondern ein erster Schritt dorthin. Die Strontiumuhr am JILA des Nationalen Instituts für Standards und Technologie arbeitet mit infrarotem Licht.

Das Team stellte einen kleinen Kalziumfluoridkristall her, der Thoriumkerne enthält. Deren Energiezustände werden durch Vakuum-Ultraviolettlicht umgeschaltet.

Um den Kristall mit der Atomuhr zu verbinden, mussten die Forschenden einen Weg finden, infrarotes Licht in Ultraviolettlicht umzuwandeln. Dafür erzeugten sie einen Frequenzkamm aus infraroten Wellenlängen und leiteten ihn durch Xenongas. Dieses wechselwirkt mit dem infraroten Licht und sendet dabei ultraviolette Wellenlängen aus.

Das Ergebnis war ein kombinierter Frequenzkamm, der den Übergang der Thoriumkerne anregen und ihn mit dem Ticken der Strontiumatome synchronisieren konnte.

Das dabei entstehende Ticken des Kerns ist noch nicht präziser als die Strontium-Atomuhr. Nach der erfolgreichen Demonstration des Grundprinzips sei die konkrete Technologie jedoch in greifbarer Nähe und der vollständigen Umsetzung sehr nah, so die Forschenden.

„Stellen Sie sich eine Armbanduhr vor, die keine einzige Sekunde verliert, selbst wenn sie über Milliarden von Jahren läuft. So weit sind wir noch nicht, aber diese Forschung bringt uns diesem Präzisionsniveau näher“, sagt der JILA-Physiker Jun Ye.

Das Team wiederholte das Experiment vielfach und erzielte bei jedem Durchgang Ergebnisse, die mit denen einer Atomuhr übereinstimmten. Als Nächstes soll das Verfahren weiter verfeinert werden.

„Als wir den Übergang erstmals anregten, konnten wir die Frequenz auf wenige Gigahertz genau bestimmen. Das war bereits um mehr als den Faktor tausend besser als alles zuvor Bekannte. Jetzt erreichen wir jedoch eine Präzision im Kilohertzbereich – also nochmals um den Faktor eine Million besser“, sagt Schumm.

„Damit erwarten wir, die besten Atomuhren in 2-3 Jahren zu übertreffen.“

Die Forschungsergebnisse wurden in Nature veröffentlicht.