Neue Ära der ZeitmessungErste Kernuhren der Welt zum Ticken gebracht
ntv bei Google bevorzugenJahrzehntelang galt die Thorium-Kernuhr als theoretische Vision. Jetzt bringen Forschergruppen den Prototyp zum Laufen - und erreichen auf Anhieb Atomuhr-Niveau. Theoretisch könnte der Zeitmesser zehnmal präziser sein als alles zuvor. Doch wozu ist das gut?
Atomuhren sind heute der Goldstandard der Zeitmessung. Doch Uhren, die nicht Elektronen in der Hülle von Atomen, sondern den Atomkern als Taktgeber nutzen, könnten künftig noch präzisere Zeitmessungen ermöglichen. Gleich zwei Forschungsteams ist es jetzt erstmals gelungen, solche Kernuhren zum Ticken zu bringen. Die Uhren liefen über 24 Stunden mit einer Genauigkeit, die über einen Zeitraum von 30 Millionen Jahren einer Abweichung von nur einer Sekunde entspricht, berichten die Wissenschaftler im Fachblatt "Nature".
Damit erreichen die Forscher bereits mit ihren Prototypen etwa dieselbe Genauigkeit, wie beispielsweise die für die Satellitennavigation eingesetzten Atomuhren. Doch einen neuen Rekord für die Zeitmessung stellen die Forscher damit bei weitem nicht auf.
Denn dies taten erst jüngst Forscher der Universität Singapur mit einer Lutetium-Atomuhr: Erst nach 55 Milliarden Jahren würde sie eine Abweichung von einer Sekunde zeigen. Zum Vergleich: Unser Universum ist erst 13,8 Milliarden Jahre alt. Doch Kernuhren haben das Potenzial, diese Genauigkeit noch einmal, um das Zehnfache zu übertreffen.
Was Thorium-229 so besonders macht
Atomuhren und Kernuhren basieren auf einem ähnlichen Prinzip: Ein Laserstrahl hebt ein Atom mit seiner Energie auf einen energetisch höheren Zustand. Bei einer Atomuhr ist es ein Elektron in der Atomhülle, das diesen "Quantensprung" vollzieht, bei einer Kernuhr der Atomkern. Und das hat einen großen Vorteil: Da der Atomkern sehr viel schwerer ist als ein Elektron und zudem durch die Elektronenhülle nach außen abgeschirmt ist, reagiert er sehr viel weniger empfindlich auf äußere Einflüsse wie beispielsweise Temperaturschwankungen.
Doch während sich bei einer Atomuhr die Elektronen mit einem normalen Laser im optischen, ultravioletten und infraroten Bereich anregen lassen, benötigen Atomkerne sehr viel mehr Energie: Es wären hochenergetische Röntgen- oder gar Gammastrahlen nötig. Mit einer Ausnahme: Der Atomkern des Elements Thorium-229 besitzt einen Übergang, der sich bereits mit einem ultravioletten Laser anregen lässt. Schon im Jahr 2003 schlug deshalb Ekkehard Peik von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig den Bau einer Thorium-Kernuhr vor.
Laserschwingungen sind das Pendel
Doch es dauerte zwei Jahrzehnte, bis ein internationales Team um Peik und Thorsten Schumm von der Technischen Universität Wien die Energie für den Quantensprung im Atomkern genau genug gemessen hatten, um zumindest das technische Prinzip einer Kernuhr im Labor zu demonstrieren. "Um die Anregung des Atomkerns zu erreichen", erläutert Peik, "muss die Energie des Lasers auf den millionsten Teil eines Elektronenvolts genau eingestellt sein".
Um vom technischen Prinzip zu einer funktionierenden Kernuhr zu gelangen, mussten die Forscher eine weitere Hürde überwinden. "Die Frequenz des Lasers verändert sich von Zeit zu Zeit, beispielsweise durch Temperaturschwankungen", erklärt Schumm. "Drift" nennen die Forscher dieses Phänomen. Deshalb benötigen Kernuhren - genau wie Atomuhren - eine Rückkopplung.
Ein zweiter Laser prüft ständig, ob eine Anregung stattfindet - wenn nicht, wird der erste Laser automatisch nachjustiert. Der Laser hat also durch die Rückkopplung eine stabile Energie und Frequenz. Anders ausgedrückt: Die Strahlung des Lasers enthält eine feste Anzahl von Schwingungen pro Sekunde. Und diese Schwingungen sind gewissermaßen das Pendel der Uhr.
"Für einen Prototyp ist es ein fantastisches Ergebnis"
Peik und Schumm ist es jetzt mit ihrem Team an der TU Wien erstmals gelungen, eine solche Kernuhr mit automatischer Rückkopplung stabil zum Laufen zu bringen. Zeitgleich meldete auch ein Forschungsteam aus China einen solchen Erfolg. Beide Forschungsgruppen verwenden bei ihren Experimenten Fluorit-Kristalle, in die Thorium-229-Atome eingebettet sind. Das Fluorit ist für die verwendeten Laserstrahlen durchsichtig und hält die Atome an ihrem Platz.
"Die Genauigkeit erreicht zwar noch nicht das Niveau der weltbesten Atomuhren", sagt Schumm, "aber für einen Prototyp ist es ein fantastisches Ergebnis". Ziel der Forscher ist es nun, mithilfe von Verbesserungen - etwa stabilere Laser und reinere Kristalle - die Genauigkeit stetig zu erhöhen. Und langfristig natürlich, aus den klobigen Laboraufbauten zu handlichen Kernuhren für die Praxis zu kommen.