Präzisionsmessung Forscher entwickeln erste Atomkern-Uhr

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Atomuhren gibt es schon seit Jahrzehnten. Forschern gelang auf dem Weg zu einer höheren Präzision nun ein entscheidender Schritt.

Die Technische Universität Wien hat zusammen mit internationalen Partnern die erste Atomkern-Uhr der Welt präsentiert. Laut einer Mitteilung war es gelungen, einen Atomkern gezielt mit einem Laser von einem Zustand in einen anderen Zustand umzuschalten – ein Effekt, der sich für Hochpräzisions-Messungen nutzen lässt. Dafür kombinierte das Forscherteam eine hochpräzise optische Atomuhr mit einem Hochenergie-Lasersystem und koppelte diese mit einem Kristall, der Thorium-Atomkerne enthielt.

Noch liefert die Atomkern-Uhr jedoch keine höhere Präzision als eine Atomuhr, so die Forscher. Das sei jedoch im ersten Schritt auch nicht das Ziel 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“, sagt Thorsten Schumm von der TU Wien. Er gehört zu dem Forscherteam, dem der Durchbruch gelang.

Das Ticken eines Laserstrahls

Doch wie funktioniert eine Präzisionsuhr? Statt einem Pendel oder ähnlichem nutzt eine solche Uhr das Schwingen elektromagnetischer Wellen. Gezählt werden dann die Schwingungen eines Laserstrahls. Doch die Frequenz eines Lasers kann sich im Lauf der Zeit ein bisschen ändern, dann muss man seine Frequenz nachjustieren. „Deshalb benötigt man zusätzlich zum Laser ein Quantensystem, das äußerst empfindlich auf eine ganz bestimmte Laserfrequenz reagiert“, sagt Schumm. Das können etwa Cäsium- oder Strontium-Atome sein. Wenn sie mit Laserlicht einer ganz bestimmten Frequenz getroffen werden, dann wechseln die Elektronen dieser Atome zwischen zwei Quantenzuständen hin und her, heißt es weiter. Dies kann man messen.

Atomkerne sind dagegen viel kleiner als Atome und reagieren viel weniger stark auf Störungen. Um Atomkerne jedoch zwischen zwei Zuständen hin und her zu schalten braucht man mindestens tausendmal mehr Energie als die Photonen eines Lasers haben. Die einzige bekannte Ausnahme ist 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.“

Von der Atomuhr zur Atomkern-Uhr

Laut den Forschern arbeitet eine Atomuhr mit Laserlicht im Infrarot-Bereich, um Strontium-Atome anzuregen. Thorium-Kerne brauchen jedoch Strahlungen im UV-Bereich. Die Forscher suchten deshalb lange nach einer hochpräzisen Übersetzung von Infrarot-Frequenzen auf UV-Frequenzen. Sie verwendeten schließlich ultrakurze Infrarot-Laserpulse, die aus einer Reihe unterschiedlicher Infrarot-Frequenzen bestehen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Frequenzen ist immer gleich. Das Infrarot-Licht trifft dann auf Xenon-Gas. Die Atome darin reagieren auf das Licht, indem sie auf sehr exakt vorhersehbare Weise UV-Licht produzieren. Dieses UV-Licht wird dann auf einen winzigen Kristall geschickt, der Thorium-Atomkerne enthält. „Dieser Kristall ist gewissermaßen das Herzstück des Experiments“, sagt Schumm. „Er wurde bei uns in Wien am Atominstitut produziert, mehrere Jahre Entwicklungsarbeit waren nötig, um das dafür nötige Know-How zu entwickeln.“

So entstand die erste Atomkern-Uhr der Welt. Eine Präzisionssteigerung liefert dieser erste Prototyp jedoch noch nicht. „Uns ging es immer darum, eine neue Technologie zu entwickeln. Wenn die erst mal da ist, kommt die Qualitätssteigerung dann ganz von selbst, das war immer schon so“, sagt Schumm. „Wir rechnen damit, auf diese Weise die besten Atomuhren in 2-3 Jahren zu überholen“.

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