Wiener Team baut weltweit erste selbststabilisierende Kernuhr

Wissenschaftler in Wien haben die weltweit erste selbststabilisierende Kernuhr gebaut, ein Gerät, das die Kerne von Thoriumatomen zur Zeitmessung nutzt. Im Gegensatz zu früheren Prototypen, die für die Stabilität auf konventionelle Atomuhren angewiesen waren, bewahrt dieses neue System seine eigene Genauigkeit durch eine automatische Rückkopplungsschleife. Die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Errungenschaft markiert einen bedeutenden Schritt in der Präzisionsmetrologie, obwohl die Uhr die Leistung der weltweit führenden optischen Atomuhren noch nicht übertrifft.

Wie die Kernuhr funktioniert

Traditionelle Atomuhren messen die Zeit, indem sie Energieübergänge in den Elektronenhüllen von Atomen verfolgen. Diese Elektronen reagieren empfindlich auf äußere Störungen wie Temperaturänderungen oder Kollisionen, welche den Rhythmus der Uhr stören können. Das Wiener Team unter der Leitung von Prof. Thorsten Schumm an der TU Wien und Prof. Ekkehard Peik an der PTB Braunschweig nutzte stattdessen den Kern des Isotops Thorium-229.

Atomkerne sind mehr als 10.000 Mal kleiner als Atome, wodurch sie weitaus weniger anfällig für Umwelteinflüsse sind. Thorium-229 ist einzigartig, da zwei seiner Kernenergiezustände durch eine ungewöhnlich kleine Energielücke getrennt sind. Dies ermöglicht es den Forschern, einen Übergang zwischen diesen Zuständen mithilfe von Laserlicht auszulösen – eine Leistung, die im April 2024 erstmals experimentell demonstriert wurde.

Die neue Uhr funktioniert, indem ein Laser auf einen Kristall gestrahlt wird, der Thoriumatome enthält. Die Frequenz des Lasers ist so abgestimmt, dass sie mit der spezifischen Resonanz der Thoriumkerne übereinstimmt. Wenn die Laserfrequenz aufgrund von Umweltfaktoren driftet, nimmt die Menge des von den Kernen absorbierten Lichts ab. Das System erkennt diese Änderung und passt den Laser automatisch wieder auf die korrekte Frequenz an. "Was man wirklich will, ist eine selbststabilisierende Kernuhr", sagte Prof. Thorsten Schumm. "Die Grundidee ist einfach: Man hat einen Laser und man hat Thorium. Der Laser ändert den Energiezustand der Thoriumkerne, und die Thoriumkerne werden verwendet, um die Frequenz des Lasers zu stabilisieren."

Leistung und Präzision

Die Forscher demonstrierten, dass die Uhr über mehr als 24 Stunden ohne externes Eingreifen stabil betrieben werden konnte. In diesem Zeitraum erreichte das Gerät eine relative Präzision von etwa 10 hoch minus 15. Diese Genauigkeit entspricht einem Fehler von etwa einer Sekunde über 30 Millionen Jahre.

Obwohl dies ein bemerkenswertes Ergebnis für einen ersten Prototypen ist, ist die Uhr noch nicht so präzise wie die derzeit besten im Einsatz befindlichen optischen Atomuhren. "Dies ist noch nicht auf dem Niveau der weltweit besten optischen Atomuhren, aber für einen ersten Prototypen ist es ein fantastisches Ergebnis", sagte Schumm. Das Team stellte fest, dass die Frequenzreproduzierbarkeit zwischen verschiedenen Durchläufen auf etwa 5 × 10⁻¹³ begrenzt war, was wahrscheinlich auf lokale Spannungen in der Kristallstruktur zurückzuführen ist. Zukünftige Verbesserungen der Laserleistung und der Kristallqualität werden die Stabilität voraussichtlich erhöhen.

Auswirkungen auf Wissenschaft und Technologie

Die Entwicklung einer selbststabilisierenden Kernuhr hat Auswirkungen, die über die Zeitmessung hinausgehen. Eine genauere Zeitmessung kann die Präzision anderer physikalischer Größen verbessern und Wissenschaftlern neue Werkzeuge zur Untersuchung fundamentaler Naturgesetze bieten. Die Technologie könnte auch Anwendungen in der Satellitennavigation, der Telekommunikation und in Finanzsystemen unterstützen, die auf präzisem Timing basieren.

Zusätzlich bietet die Uhr eine neue Methode zur Prüfung von Hypothesen in der fundamentalen Physik. In einer Begleitstudie nutzten die Forscher die Uhr, um nach Effekten zu suchen, die durch Modelle ultraleichter dunkler Materie vorhergesagt werden. Obwohl kein signifikantes Signal gefunden wurde, setzte das Experiment Obergrenzen für mögliche Wechselwirkungen und demonstrierte so das Potenzial der Uhr als empfindlicher Detektor für unbekannte physikalische Phänomene.

Warum es wichtig ist

Dieser Durchbruch bestätigt ein jahrzehntealtes Konzept der Physik: dass Atomkerne als stabile Referenzen für die Zeitmessung dienen können. Durch die Entkopplung der Stabilität der Uhr von externen Atomuhren hat das Wiener Team ein selbsterhaltendes System geschaffen, das robuster gegenüber Umgebungsrauschen ist. Mit zunehmender Reife der Technologie könnten Kernuhren schließlich den Standard für die Zeitmessung neu definieren und eine beispiellose Präzision für die wissenschaftliche Forschung und die globale Infrastruktur bieten.

Quellen (auf Englisch)

• sciencedaily.com: Scientists build a nuclear clock that could make atomic clocks obsolete | ScienceDaily
• thebrighterside.news: Scientists demonstrate sustained operation of the world's first self-regulating nuclear clock - The Brighter Side of News
• thenakedscientists.com: World’s first stand-alone nuclear clock | Interviews
• voi.id: Chinese Scientists Develop Nuclear Clock, Time Accuracy Potentially Overtakes Atomic Clock
• chitraltoday.net: Scientists Develop First Nuclear Clocks - Chitral Today
• timesofindia.indiatimes.com: For decades, scientists used Atomic clocks but world’s first stand-alone nuclear clock may change we measure almost everything - The Times of India

KI-Übersetzung des englischen Originalartikels, automatisch geprüft, damit sie dasselbe aussagt wie das Original. Die Quellen wurden auf Englisch geprüft.