Forschungsdurchbruch

TU Wien entwickelte erste Atomkern-Uhr

Atomuhren gelten als die präzisesten Zeitzeiger der Welt. Seit vielen Jahrzehnten hat sich der Stand der Technik hier kaum verändert. Nun gelang der Technischen Universität (TU) Wien allerdings ein Forschungsdurchbruch: die erste Atomkern-Uhr der Welt.

Thorium als Taktgeber

Nachdem die Wissenschaftler:innen jahrzehntelang darauf hingearbeitet hatten, ging es nun doch ganz schön schnell: Nachdem das Team rund um Professor Thorsten Schumm erst im heurigen April verkündet hatte, dass es ihnen gelungen war, einen Atomkern mittels Laser von einem Zustand in den anderen umzuschalten, konnte dieser Effekt der Hochpräzisions-Messung nun bereits in der Praxis umgesetzt werden.

Die TU-Forscher:innen schafften es, gemeinsam mit US-amerikanischen Kolleg:innen vom Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) und vom National Institute of Standards and Technology (NIST), eine hochpräzise optische Atomuhr mit einem Hochenergie-Lasersystem zu kombinieren. Diese koppelten sie an einen Kristall, der Thorium-Atomkerne enthält, die wiederum als Taktgeber genutzt werden.

Bisher tickt die Uhr allerdings noch nicht genauer als eine herkömmliche Atomuhr – das sei auch nicht das Ziel dieses ersten Schrittes gewesen. "Mit dem ersten Prototyp ist nun aber bewiesen: Man kann Thorium als Taktgeber für ultrahochpräzise Messungen verwenden, der Rest ist technische Entwicklungsarbeit, bei der keine großen Hindernisse mehr zu erwarten sind", erklärt Thorsten Schumm.

Weniger störungsanfällig

Das Besondere an einer Atomkernuhr ist, dass diese deutlich weniger störungsanfällig ist als eine Atomuhr, weil Atomkerne eben sehr viel kleiner sind und dadurch etwa weniger stark auf elektromagnetische Felder von außen reagieren. Was die Forscher:innen aber bisher vor Herausforderungen stellte, ist, dass man zur Umschaltung der Zustände der Atomkerne mindestens tausendmal mehr Energie braucht, als die Photonen eines Lasers haben.

Die einzig bekannte Ausnahme dabei ist aber Thorium. "Thorium-Kerne haben zwei Zustände sehr ähnlicher Energie, sodass man sie mit Lasern umschalten kann", so Schumm. "Damit das gelingt, muss man die Energiedifferenz zwischen diesen beiden Zuständen aber sehr genau kennen. Viele Jahre lang haben Forschungsteams auf der ganzen Welt nach dem genauen Wert dieser Energiedifferenz gesucht, um Thorium-Kerne gezielt umschalten zu können – uns ist das erstmals gelungen, das ist das Ergebnis, das wir im April publizieren konnten."

Viele andere, mögliche Anwendungsbereiche

Die Präzision, die mit der Technologie rund um die Thorium-Kerne erforscht wurde, könnte neben der Zeitmessung auch in anderen Forschungsbereichen wichtige Fortschritte liefern. Etwa in der Geologie oder der Astrophysik. Beispielsweise erhofft man sich, dass mit der extremen Präzision nun die fundamentalen Gesetze der Natur unter die Lupe genommen werden können. Es könnte untersucht werden, ob die Naturkonstanten vielleicht gar nicht so perfekt konstant sind, sondern sich möglicherweise auch in Raum und Zeit ändern.

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