Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach einer Uhr, die noch präziser ist als die besten Atomuhren der Welt. Denn je häufiger der Taktgeber schwingt, desto genauer gibt eine Uhr die Zeit an. Das würde präzisere Navigationssysteme, schnelleres Internet, zuverlässigere Netzwerkverbindungen und eine sicherere digitale Kommunikation ermöglichen. Jetzt hat eine Forschungsgruppe um Thorsten Schumm von der Technischen Universität Wien die erste funktionsfähige Uhr gebaut, die die hochfrequenten Schwingungen von Atomkernen statt Elektronen zur Zeitmessung nutzt.

Dazu betteten die Fachleute das Element Thorium-229 in einen Kristall aus Calciumfluorid ein und bestrahlten diesen mit einem Ultraviolettlaser. Das System lief 24 Stunden lang ohne äußeren Eingriff – ein Meilenstein. »Das ist der Höhepunkt von 15 bis 20 Jahren Forschung«, sagte Schumm gegenüber dem »New Scientist«. »Es ist fantastisch. Nur sehr wenige Forschende erleben tatsächlich, dass ihr Traum Wirklichkeit wird.« Der Forschungsartikel ist bislang nur auf dem Preprint-Server »arXiv« erschienen, wurde also noch nicht von unabhängigen Experten begutachtet.

Aktuell basiert unsere international synchronisierte Zeitmessung auf den charakteristischen Übergängen zwischen zwei Energiezuständen in der Elektronenhülle des Cäsiumatoms. Wenn ein Elektron zwischen den beiden Zuständen wechselt, sendet es ein Photon mit der immer gleichen Energie aus. Die Frequenz dieser ausgesandten Mikrowellenstrahlung dient als eine Art Pendel, das exakt 9 192 631 770-mal in einer Sekunde schwingt. Das ist bereits enorm präzise: In 13 Milliarden Jahren weicht die Zeitmessung mit einer Cäsium-Atomuhr, wie sie an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig steht, nur um etwa eine Sekunde von einer idealen Uhr ab.

Doch für manche Anwendungen und physikalische Fragestellungen ist selbst das zu wenig. Deshalb hat der Physiker Ekkehard Peik, der an der PTB den Fachbereich Zeit und Frequenz leitet, bereits im Jahr 2003 mit einem Kollegen die Idee zu einer Atomkernuhr entwickelt. Eine solche Uhr könnte eine enorme Stabilität erreichen, sodass sie über Hunderte Milliarden Jahre nur um eine Sekunde von einer idealen Uhr abweichen würde – das ist länger, als das Universum alt ist. Doch es ergaben sich unerwartete experimentelle Schwierigkeiten. »Das Hauptproblem war es, die exakte Frequenz der sehr schwachen Kernresonanz zu finden. Man konnte die nicht berechnen und auch nur relativ ungenau mit anderen Methoden messen«, erzählt er. Dass Peik mit seiner Gruppe Ende des Jahres 2023 zeigen konnte, dass es tatsächlich möglich ist, den Kern eines Atoms mit Laserpulsen anzuregen und die Frequenz auszulesen, brachte ihm den Titel »Father of Time« des Fachmagazins »Nature« ein.

Übergänge in Atomkernen haben viele Vorteile

Hinter Peiks Vorschlag liegt ein recht simpler Gedanke: Übergänge zwischen den Energiezuständen des Atomkerns sind deutlich energiereicher und senden Strahlung mit weit höherer Frequenz aus als solche in der Elektronenhülle des Atoms. Das heißt, eine Atomkernuhr tickt häufiger, und die Zeit lässt sich somit deutlich genauer bestimmen. Übergänge in Atomkernen haben gegenüber solchen in der Elektronenhülle noch weitere Vorteile. Da der Atomkern von der komplexen elektromagnetischen Umgebung der Elektronen weitgehend abgeschirmt ist, besitzt er einen äußerst präzisen Energieübergang, der von den Bewegungen der Elektronen kaum beeinflusst wird. Dadurch reagiert er einerseits unempfindlicher auf äußere Störungen, aber andererseits empfindlicher auf physikalische Effekte. Das ermöglicht es, fundamentale physikalische Größen genauer zu bestimmen. Zudem muss die Kernuhr nicht auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden; sie arbeitet bei Raumtemperatur. 

In früheren Experimenten hatten die Wissenschaftler zwar gezeigt, dass sich die Kernfrequenz von Thorium mit dem richtigen Laser anregen lässt, ihnen fehlte jedoch der entscheidende Mechanismus zur Frequenznachregelung, der eine echte Uhr ausmacht. Dieses Problem konnte die Gruppe nun lösen. Der Laser, der als Taktgeber der Uhr dient, wechselt fortlaufend zwischen zwei Frequenzen – einer knapp oberhalb und einer knapp unterhalb der bekannten Kernfrequenz von Thorium. Werden beide Frequenzen vom Thorium gleich stark absorbiert, ist der Laser korrekt eingestellt. Fallen die Absorptionsraten unterschiedlich aus, nutzt die Uhr diese Information als Rückkopplungssignal und regelt den Laser automatisch auf die richtige Frequenz nach.

Noch erreicht die Atomkernuhr nicht die Stabilität der besten heutigen Atomuhren. Statt einer Sekunde verliert sie derzeit mehrere Dutzend Sekunden pro zehn Milliarden Jahre. Doch das Autorenteam betont im Forschungsartikel, dass es sich zunächst nur um einen Machbarkeitsnachweis handelt und das System noch nicht mit den besten verfügbaren Lasern und elektronischen Komponenten optimiert wurde. »Wir sind sehr optimistisch, mit einem Laser höherer Leistung bessere Stabilität zu erhalten«, sagt Ekkehard Peik. »Daran arbeiten wir und andere Gruppen gerade mit Hochdruck.«