Am Atominstitut der TU Wien läuft seit Kurzem eine Uhr, deren Takt nicht von Elektronen, sondern direkt vom Kern eines Atoms vorgegeben wird. Das Team rund um den Physiker Thorsten Schumm hat gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig die nach eigenen Angaben erste Atomkernuhr gebaut, die ihren Laser selbstständig nachregelt. Im Versuch blieb sie mehr als 24 Stunden ohne Eingriff stabil. Rechnerisch würde sie derzeit erst nach rund 30 Millionen Jahren um eine Sekunde abweichen. Veröffentlicht wurde die Arbeit am Mittwoch im Fachjournal Nature – Seite an Seite mit einer Studie der Tsinghua University in Peking, die eine sehr ähnliche Uhr beschreibt. Damit ist aus einem Forschungstraum, an dem Physiker:innen weltweit seit Jahrzehnten arbeiten, ein Wettrennen zwischen Europa und China geworden.
Warum ausgerechnet Thorium
Klassische Atomuhren zählen die Sprünge von Elektronen zwischen zwei Energiezuständen in der Atomhülle. Die Wiener Uhr setzt dagegen eine Ebene tiefer an. Ihr Herzstück ist ein an der TU Wien gefertigter Kalziumfluoridkristall, in dem Kerne des radioaktiven Isotops Thorium-229 eingebettet sind. Diese Kerne haben eine Besonderheit, die unter allen bekannten Atomkernen einzigartig ist. Zwei ihrer Energiezustände liegen so eng beieinander, dass sich der Wechsel mit ultraviolettem Laserlicht auslösen lässt. Bei anderen Kernen wären dafür weit höhere Energien nötig. Mit Kernspaltung oder Kernfusion hat das Prinzip nichts zu tun, gezählt wird lediglich das regelmäßige Hin- und Herwechseln der Kerne. Der Vorteil liegt in der Größe. Ein Atomkern ist mehr als zehntausendmal kleiner als das ganze Atom und lässt sich von elektromagnetischen Feldern und anderen Störungen kaum beeinflussen. Im Prinzip sind damit präzisere Uhren möglich als mit Elektronen.
Bis dieses Prinzip funktionierte, verging viel Zeit. Schumm sucht nach eigenen Angaben schon seit 2009 nach der exakten Laserfrequenz, die den Thoriumkern umschalten kann. Im April 2024 gelang es seinem Team gemeinsam mit der Gruppe von Ekkehard Peik an der PTB erstmals, den Übergang gezielt per Laser anzuregen. Im Herbst desselben Jahres koppelten die Wiener Forscher:innen den Thoriumkristall zusammen mit dem US-Institut JILA in Boulder an eine optische Strontium-Atomuhr. Die Thoriumkerne dienten dabei bereits als Taktgeber, das System kam aber nicht ohne die herkömmliche Atomuhr als Referenz aus.
Die Kerne halten den Laser selbst im Takt
Genau diese Abhängigkeit fällt mit dem neuen Aufbau weg. Die eigentliche Schwachstelle jeder Laseruhr ist der Laser selbst, denn schon kleine Temperaturschwankungen verschieben seine Frequenz. Das Wiener System nutzt die Thoriumkerne deshalb als Kontrollinstanz. Sie schlucken das Licht nur dann besonders stark, wenn die Frequenz exakt zu ihrem Übergang passt. Weicht der Laser ab, sinkt die Absorption messbar, und ein Algorithmus regelt die Frequenz automatisch nach. Die Kerne geben also nicht nur den Takt vor, sie korrigieren den Laser auch fortlaufend. Eine herkömmliche Atomuhr braucht es nur noch, um die Leistung der neuen Uhr von außen zu überprüfen.
Gemessen über einen Tag erreicht der Prototyp eine Präzision von rund 10 hoch minus 15, daraus ergibt sich die Abweichung von einer Sekunde in 30 Millionen Jahren. Die besten optischen Atomuhren sind noch mehrere Größenordnungen besser und verlieren erst über Milliarden Jahre eine Sekunde. Für einen ersten Prototyp sei das Ergebnis dennoch "fantastisch", ist Schumm überzeugt. Stärkere Laser und weiter verbesserte Thoriumkristalle sollen die Präzision nun deutlich steigern.
Peking liegt bei der Stabilität vorne
Parallel zum Team in Wien und Braunschweig arbeitete eine Gruppe um den Physiker Shiqian Ding an der Tsinghua University unabhängig davon an einer eigenen Atomkernuhr. Auch sie setzt auf Thorium-229 in Kalziumfluorid und regelt ihren Laser über die Kerne nach. Ersten Ergebnissen zufolge ist die chinesische Uhr etwa sechsmal so stabil wie die Wiener. Zudem zeigte das Pekinger Team, dass zwei getrennt gezüchtete Kristalle praktisch dieselbe Zeit anzeigen, ein wichtiger Hinweis darauf, dass sich solche Uhren verlässlich nachbauen lassen. Bemerkenswert ist das auch deshalb, weil in Peking nur ein Mikrogramm Thorium-229 zur Verfügung stand. Der Wiener Kristall enthält rund 200-mal mehr Thoriumkerne. Schumm betont, die chinesische Gruppe sei mit ihrer Uhr etwas später dran gewesen und habe auf dem in Wien entwickelten Verfahren aufgebaut.
Einen klaren "Sieger" gibt es dennoch nicht. Beide Teams setzen unterschiedliche technische Schwerpunkte und messen teils unter anderen Bedingungen, weshalb sich die Kennzahlen nur bedingt direkt vergleichen lassen. Wien punktet mit höher konzentrierten Kristallen und besseren optischen Eigenschaften, Peking mit dem leistungsstärkeren Laser. An der TU Wien sieht man darin vor allem Potenzial, denn die Stärken beider Ansätze zu verbinden, könnte eine deutlich bessere Atomkernuhr hervorbringen.
Von der Navigation bis zur Dunklen Materie
Gelingt der Sprung aus dem Labor, könnten Atomkernuhren nicht nur genauer, sondern auch kompakter und robuster werden als die heutigen Spitzengeräte. Profitieren würden davon etwa die Satellitennavigation, die Synchronisierung von Datennetzen und die Vermessung der Erde, wo schon winzige Zeitfehler große Abweichungen nach sich ziehen. Ein limitierender Faktor bleibt vorerst das Thorium-229 selbst, das extrem rar ist und Experimente mit neuen Kristallen erschwert.
Für die Grundlagenforschung ist die Technologie schon jetzt interessant. Das Wiener Team nutzte seine Uhr bereits, um nach Spuren Dunkler Materie zu suchen. Ein Teilchen, das durch den Kristall wandert, könnte sich als winzige Unregelmäßigkeit im Takt der Kerne bemerkbar machen. Gefunden wurde dabei zwar nichts, die Uhr hat aber bewiesen, dass sie sich für solche Präzisionsexperimente eignet.
www.tuwien.at
www.tsinghua.edu.cn
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