Nuklearuhren mit Thorium-229 markieren einen Durchbruch in der Zeitmessung

Ein Durchbruch in der Chronometrie, auf den seit Jahrzehnten hingearbeitet wird, könnte die Grenzen der Zeitmessung neu definieren.

Physiker haben mit Atomen von Thorium-229 funktionsfähige Uhren konstruiert, die nicht auf den Schwingungen von Elektronen beruhen. Stattdessen nutzen sie die hin- und hergehenden Energieänderungen der Atomkerne selbst.

Besonders bemerkenswert ist, dass dieses Ergebnis unabhängig voneinander gleich zweimal erzielt wurde: durch zwei Forschungsteams in Europa und China. Beide Gruppen haben ihre bedeutende Arbeit in Preprints auf arXiv beschrieben.

„Das in dieser Arbeit vorgestellte System“, schreibt das von dem Physiker Luca Toscani De Col von der Technischen Universität Wien geleitete Team, „stellt die erste Umsetzung einer Nuklearuhr dar, die als eigenständiges Gerät arbeitet.“

Von Atomuhren zu Nuklearuhren mit Thorium-229

Atomuhren wurden erstmals in den 1950er-Jahren gebaut und messen Zeit so präzise, dass sie über Milliarden Jahre hinweg keine einzige Sekunde verlieren würden.

Ihre Zeitbasis ist das exakte „Ticken“ von Elektronen, wenn diese nach Anregung durch einen Laser zwischen Energiezuständen wechseln.

Eine Nuklearuhr, die erstmals 2003 vorgeschlagen wurde, würde Zeit dagegen anhand von Energieveränderungen im Atomkern messen. Die Umsetzung erwies sich als deutlich schwieriger, da Kernübergänge normalerweise wesentlich höhere Energien als Elektronenübergänge benötigen und damit für die meisten Lasertechnologien unerreichbar sind.

Für die Entwicklung von Nuklearuhren gibt es jedoch einen sehr überzeugenden Grund. Elektronen befinden sich in den äußeren Bereichen eines Atoms. Dadurch reagieren sie – und somit auch Atomuhren – stärker auf Einflüsse aus ihrer Umgebung.

Der Kern liegt hingegen tief im Zentrum des Atoms und ist gegenüber äußeren Störungen weit weniger empfindlich.

Theoretisch könnten Nuklearuhren daher noch stabiler als die heutigen Atomuhren sein. Zugleich könnten sie leistungsstarke Instrumente werden, um Phänomene wie dunkle Materie und mögliche Veränderungen der fundamentalen Naturkonstanten zu untersuchen.

Wie bereits in der Veröffentlichung von 2003 dargelegt, eignet sich Thorium-229 besonders gut für diese Technik: Sein Übergangszustand besitzt eine außergewöhnlich niedrige Energie und ist deshalb mit präziser Laserspektroskopie erreichbar.

2024 erzielten Forschende in Österreich und Deutschland mehrere Durchbrüche. Sie lösten den Energieübergang in Thorium-229 aus und brachten es anschließend zum „Ticken“.

Als Nächstes musste aus diesem Ticken eine tatsächliche Uhr entwickelt werden, die Zeit messen kann. Genau das ist den beiden Forschungsteams nun gelungen.

Zwei unabhängige Ansätze für funktionierende Nuklearuhren

Beide Teams bauten ihre Uhren um Thorium-229-Kerne herum auf, die in Calciumfluorid-Kristalle eingebettet und mit Vakuum-Ultraviolett-Laserlicht abgefragt wurden. Danach unterschieden sich ihre Vorgehensweisen jedoch.

Das europäische Team entwickelte ein vollständig eigenständig arbeitendes Gerät, bei dem der Thoriumkern die Frequenz eines Lasers fortlaufend stabilisierte.

Die Forschenden verglichen ihre Uhr mit einer etablierten Ytterbium-Ionen-Atomuhr und wiesen damit einen langfristigen Betrieb sowie Stabilität nach.

Darüber hinaus verwendeten sie die Uhr, um nach Hinweisen auf hypothetische ultraleichte dunkle Materie zu suchen. Dabei setzten sie neue Grenzen für mehrere vorgeschlagene Modelle.

„Durch die Nutzung der erhöhten Empfindlichkeit des Thorium-229-Übergangs konkurrieren diese Einschränkungen mit den besten Atomuhren in Bezug auf die Kopplung dunkler Materie an Photonen und gehen bei der Kopplung an die starke Kraft und Quarks über frühere Messungen hinaus“, schreiben sie in ihrer Arbeit.

Das chinesische Team unter Leitung des Physikers Beichen Huang von der Tsinghua-Universität setzte einen etwas anderen Schwerpunkt.

Es prüfte seine Uhr in zwei unabhängig hergestellten Kristallen, um festzustellen, ob das Ticken jeweils konsistent war.

Die Uhren lieferten nahezu identische Frequenzen und behandelten damit eine zentrale Herausforderung für Festkörper-Nuklearuhren.

Würde die Kristallumgebung die Kernfrequenz unvorhersehbar verändern, müsste jedes Gerät einzeln kalibriert werden.

Die enge Übereinstimmung deutet stattdessen darauf hin, dass Nuklearuhren letztlich reproduzierbare Standards werden könnten, anstatt lediglich einmalige Labordemonstrationen zu bleiben.

Reproduzierbare Standards und Tests fundamentaler Physik

„Indem ein per Laser ansprechbarer Atomkern zu einer funktionsfähigen Uhrenreferenz gemacht wird“, schreibt das chinesische Team, „erweitert diese Arbeit die Quantenmetrologie von elektronischen auf Kernübergänge und eröffnet eine neue Plattform für kompakte Uhren, Festkörper-Kernquantensensoren und Präzisionstests der fundamentalen Physik.“

Die neuen Geräte übertreffen die besten Atomuhren noch nicht – die Atomuhren haben, seien wir ehrlich, einen Vorsprung von 70 Jahren. Doch sie zeigen, dass Nuklearuhren nicht bloß ein theoretischer Traum sind.

Sie können in der realen Welt funktionieren – und sie funktionieren bereits.

Sollte sich die Vorhersage des Physikers Thorsten Schumm von der Technischen Universität Wien aus dem Jahr 2024 bewahrheiten, könnten sie die besten heutigen Atomuhren sogar schon innerhalb weniger Jahre übertreffen.

Die Uhren wurden in Preprints beschrieben, die hier und hier auf arXiv hochgeladen wurden.