Ein neuer Mechanismus der Zeitmessung
Atomuhren dienen seit mehr als 70 Jahren als globale Zeitstandards und verfolgen die Bewegung von Elektronen zwischen Energiezuständen, um Satellitennavigation und Telekommunikationsnetze zu koordinieren. Zwei unabhängige Forschungsteams – eines unter Leitung der Technischen Universität Wien (TU Wien) und der deutschen Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), ein weiteres an der Tsinghua-Universität in Peking – haben die ersten funktionierenden Kernuhren gebaut. Die am 7. Oktober 2026 in Nature veröffentlichten Systeme messen die Zeit, indem sie Übergänge im Atomkern von Thorium-229 statt in den äußeren Elektronenschalen verfolgen. Das Konzept geht auf einen Vorschlag von Ekkehard Peik von der PTB aus dem Jahr 2003 zurück, der Thorium-229 als einziges bekanntes Isotop mit einem per Laserlicht zugänglichen Kernübergang identifizierte. Da Atomkerne etwa 10.000- bis 100.000-mal kleiner sind als ganze Atome und durch die starke Kernkraft gebunden werden, bleiben sie gegen externe elektrische Felder, magnetische Störungen und Temperaturschwankungen abgeschirmt.
- Ekkehard Peik schlägt Kernuhren auf Basis von Thorium-229-Isomerübergängen vor
- Forschende beobachten den lasergetriebenen Kernübergang von Thorium-229
- Teams koppeln die Thorium-Anregung an eine externe optische Atomuhr
- Nature veröffentlicht Berichte über autonome Kernuhren in Wien und Peking
Selbststabilisierende Laser-Prototypen
Die Umwandlung des Kernübergangs in eine eigenständige Uhr erforderte die Lösung von Laserstabilität und automatischer Frequenzkorrektur. Im April 2024 beobachteten Forschende der TU Wien und der PTB den lasergetriebenen Thorium-Übergang, und im darauffolgenden Herbst koppelten sie den Anregungsapparat als Stoppuhr an eine konventionelle optische Atomuhr. Der jüngste Durchbruch etabliert ein autonomes System, das den Thorium-229-Kristall zur Selbststabilisierung des Lasers ohne externe Atomuhren nutzt. Eine interne Rückkopplungsschleife überwacht den Laser kontinuierlich und korrigiert Frequenzabweichungen im Sekundenbereich. Der leitende Autor Thorsten Schumm beschrieb die technische Anforderung für den autonomen Betrieb:
Das Geheimnis bestand darin, die Rückkopplung auf einer Skala von nur wenigen Sekunden zum Laufen zu bringen.
Der österreichische Prototyp blieb mehr als 24 Stunden ohne menschliches Eingreifen stabil. Gleichzeitig zeigte das chinesische Team unter Leitung von Shiqian Ding, dass zwei separate Kernuhren mit unterschiedlichen Kristallgittern übereinstimmende Resonanzfrequenzen erzeugten.
Präzisionsziele und Laser-Herausforderungen
Die ersten Prototypen erreichen eine Präzision, die dem Verlust einer Sekunde alle 30 Millionen Jahre entspricht – vergleichbar mit den Standard-Atomuhren in Satellitennavigationssystemen. Sie bleiben hinter den besten optischen Labor-Atomuhren zurück, darunter eine Lutetium-Uhr an der Universität Singapur, die in 55 Milliarden Jahren eine Sekunde verliert. Die größte technische Hürde liegt in der Erzeugung von Vakuum-Ultraviolettlicht, das weiterhin ineffizient ist und nur relativ schwache Laserleistung auf den Thoriumkristall bringt. Schumm betonte, dass es bei den frühen Prototypen zunächst um die Machbarkeit gehe:
Es ist völlig normal, dass eine neue Art von Uhr nicht sofort alle bestehenden Technologien übertrifft; dies ist ein erster Machbarkeitsnachweis, und relevant ist das Potenzial für künftige Verbesserungen.
Die Forschenden erwarten, dass leistungsstärkere Laser es Kernuhren schließlich ermöglichen werden, eine Genauigkeit von einer Sekunde in 550 Milliarden Jahren zu erreichen – zehnmal präziser als bestehende Atomuhren.
Sondierung fundamentaler physikalischer Konstanten
Über die Weiterentwicklung der Metrologie hinaus bieten Kernuhren experimentelle Plattformen zur Untersuchung der fundamentalen Physik und zur Suche nach Dunkler Materie, die rund 83 % der Materie des Universums ausmacht. Sollten vorbeiziehende Teilchen der Dunklen Materie mit dem Thoriumkern wechselwirken, könnten sie messbare Frequenzstörungen im regelmäßigen Takt der Uhr hervorrufen. Daniel de Mercado, Metrologiephysiker am Spanischen Metrologiezentrum, der optische Atomuhren auf Calcium-40-Basis entwickelt, verwies auf die breitere experimentelle Reichweite präziser Frequenzmessungen:
Die Frequenzen atomarer und nuklearer Übergänge hängen von den Konstanten und fundamentalen Kräften der Natur ab, sodass eine extrem präzise Messung es ermöglicht, nach kleinen Abweichungen zwischen dem beobachteten Wert und dem, was unsere Theorien vorhersagen, zu suchen.
Physiker planen, mit diesen Messungen zu prüfen, ob fundamentale physikalische Konstanten über die Zeit unverändert bleiben oder unter unbekannten fundamentalen Wechselwirkungen driften.