Nachfolger der Atomuhr Die weltweit erste Kernuhr tickt stabil

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Jahrzehntelang war sie nur ein theoretisches Konzept, jetzt tickt sie stabil: Forschern ist es gelungen, die weltweit erste Atomkern-Uhr in den Dauerbetrieb zu bringen. Diese wird nicht von Elektronen, sondern direkt vom Kern eines Thorium-Atoms angetrieben. Möglich wurde dieser Erfolg durch ein stark verbessertes Lasersystem.

Zwei aktuelle Publikationen im Fachmagazin Nature markieren einen historischen Meilenstein in der Metrologie: Das Team um Ekkehard Peik (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB) und Thorsten Schumm (TU Wien) hat den ersten echten Betrieb einer Kernuhr demonstriert. Das System lief in Wien erstmals über 24 Stunden ohne Nutzereingriff absolut stabil.Dies ist ein massiver technologischer Sprung. Erst 2024 war es dem Team nach jahrzehntelanger Forschung weltweit zum ersten Mal gelungen, den Kern von Thorium überhaupt mit einem Laser anzuregen. Dass nun bereits ein funktionsfähiger Uhrenbetrieb vorliegt, gilt in Fachkreisen als unerwartet schneller Erfolg.

Die Technik: Atomkern statt Elektronenhülle

Das grundsätzliche Prinzip jeder Atomuhr ist es, Atombestandteile mit Lasern anzuregen – bislang waren dies jedoch ausschließlich Elektronen. In Atomkernen sind die Teilchen viel dichter gepackt, weshalb die Energie herkömmlicher Laser normalerweise nicht ausreicht. Der Schlüssel zum Erfolg liegt im Isotop Thorium-229. „Es weist zwei sehr eng benachbarte Energiezustände auf, sodass ein Laser ausreicht, um den Zustand des Atomkerns zu verändern“, erklärt Ekkehard Peik, der das Prinzip bereits 2003 vorschlug. Die technische Umsetzung glich jedoch der Suche nach der Nadel im Heuhaufen: Um den Kern gezielt anzuregen, musste die nur ungenau bekannte Energie des Übergangs mit einem Laser auf ein Millionstel Elektronenvolt genau getroffen werden. Möglich wurde dies durch spezielle Thorium-dotierte Kalziumfluorid-Kristalle der TU Wien, in denen viele Thoriumkerne gleichzeitig getroffen werden können.

Die technische Umsetzung glich jedoch der Suche nach der Nadel im Heuhaufen: Um den Kern gezielt anzuregen, musste die nur ungenau bekannte Energie des Übergangs mit einem Laser auf ein Millionstel Elektronenvolt genau getroffen werden.

Der Durchbruch: Kompakte Hardware und sofortiges Feedback

Um aus der Kernanregung eine funktionierende Uhr zu machen, mussten die Forscher zwei massive Hürden im Setup überwinden:

• Das Laser-Upgrade: Das anfangs genutzte Lasersystem belegte mehrere Quadratmeter auf optischen Tischen und lief nur im gepulsten Betrieb. In Kooperation mit dem Max-Born-Institut in Berlin entwickelte das Team bis Dezember 2025 einen kompakten, kontinuierlich emittierenden Festkörperlaser mit extrem hoher Frequenzauflösung.
• Die Signal-Verzögerung: Bisher bestrahlten die Forscher den Kristall, blockten dann den Laser und maßen das von den angeregten Kernen abgestrahlte Fluoreszenzlicht. Das Problem: Dieser Vorgang dauert rund 10 Minuten – viel zu langsam, um die Frequenz des Lasers kontinuierlich nachzusteuern (zu stabilisieren).
  Die Lösung: Der neue, stabilere Laser ermöglichte es, nicht mehr die verzögerte Fluoreszenz, sondern direkt die von den Kernen absorbierte Laserleistung in Echtzeit zu messen. Das Signal erfährt keine Zeitverzögerung mehr und bindet die Laserfrequenz sofort an die Kernresonanz an.

Festkörper statt Vakuum: Neuland für die Metrologie

Mit der neuen Architektur betritt die Kernuhr gleich in mehrfacher Hinsicht technologisches Neuland: Sie ist nicht nur die erste Uhr, die auf Kernresonanz beruht, sondern sie nutzt als Taktgeber einen Festkörper-Kristall. Bisherige optische High-End-Atomuhren basieren auf Atomen oder Ionen, die aufwendig im Vakuum gespeichert werden müssen. Beim ersten 24-Stunden-Testlauf wurde die neue Kernuhr direkt mit einer etablierten optischen Uhr des österreichischen Metrologieinstituts BEV-PTP in Wien synchronisiert und verglichen.

Einsatz bei der Suche nach Dunkler Materie

Die neue Präzision bringt unmittelbaren Nutzen für die Grundlagenforschung. Die Forscher nutzten das System bereits, um aus den Spektren der Kernresonanz den mikroskopischen Aufbau des Kristallsystems zu analysieren. Noch spannender: Die Kernuhr absolvierte bereits einen ersten Test, um mögliche Kopplungen des Th-229-Kerns an bestimmte Formen dunkler Materie aufzuspüren.

Ein globales Tech-Rennen

Die Forschung aus Braunschweig und Wien hat weltweit eine enorme Dynamik ausgelöst. Wenige Wochen nach Bekanntwerden der ersten Resultate meldete eine Kooperation chinesischer Institute unter Leitung der Tsinghua-Universität ähnliche Experimente. Noch bricht die Kernuhr nicht die Rekorde der besten optischen Atomuhren, doch das Potenzial ist gewaltig: „Es ist klar absehbar, wo die derzeitigen technischen Grenzen liegen und welche Eigenschaften der Lasersysteme und Thorium-Kristalle weiter verbessert werden müssen, um voll konkurrenzfähig zu werden“, resümiert Ekkehard Peik mit Blick auf die nahe Zukunft. Die Kernuhr hat gerade erst zu ticken begonnen.