Ekkehard Peik: Die Kernuhr, die Atomuhren künftig übertreffen soll

Ekkehard Peik leitet die Arbeitsgruppe Zeit und Frequenz bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Seinem Team ist es gelungen, eine Kernuhr zu bauen, die erstmals stabil über mehr als 24 Stunden läuft, ohne dass jemand eingreifen muss. Damit rückt ein Zeitstandard näher, der Atomuhren an Präzision eines Tages übertreffen könnte.

Die Idee dazu ist nicht neu: Schon 2003 schlugen Peik und sein Kollege Christoph Tamm vor, eine Uhr auf Basis von Thorium-229 zu bauen. Damals war der Vorschlag unbewiesen. Erst jetzt, nach etwa 20 Jahren Suche nach der passenden Laserfrequenz, ist daraus ein funktionierendes Gerät geworden.

Wie funktioniert die Kernuhr?

Anders als bei optischen Atomuhren, die einzelne Atome oder Ionen im Vakuum nutzen, setzt die neue Uhr auf einen Festkörper als Taktgeber. Grundlage ist die Kernresonanz des Thorium-229-Atomkerns, bei der die starke Wechselwirkung eine Rolle spielt – ein physikalisches Prinzip, das sich von dem bisheriger Atomuhren unterscheidet, wie Peik erläutert.

2024 gelang Peiks Team erstmals der experimentelle Nachweis des entsprechenden Energieübergangs im Thorium-229-Kern bei 3,5 Elektronenvolt. Die erforderliche Präzision für die Kernresonanzfrequenz liegt dabei im Millionstel-Elektronenvolt-Bereich, wie Peik angibt.

Um den Atomkern gezielt mit Lasern anzuregen, war ein kompakter, kontinuierlich emittierender Festkörperlaser nötig. Das ursprüngliche Lasersystem hatte noch mehrere Quadratmeter Platz benötigt und nur gepulst gearbeitet, so Peik.

Den Nachweis der Kernanregung erbrachte das Team über die vom Laser absorbierte Leistung statt über die abgestrahlte Fluoreszenz, deren Messung mit einer Zeitkonstante von rund zehn Minuten zu langsam gewesen wäre, wie Peik beschreibt.

Was war der Weg zur ersten Kernuhr?

Entscheidend für den Erfolg war laut Peik die Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Thorsten Schumm an der TU Wien. Während die Braunschweiger Forscher einen Laser für eine Wellenlänge von 148 Nanometern entwickelten, stellten die Wiener Forscher erstmals einen dafür transparenten Trägerkristall aus Calciumfluorid mit eingebetteten Thoriumkernen her.

Mit einem einzigen Laserstrahl ließen sich dadurch rund zehn Billiarden Thorium-229-Kerne gleichzeitig anregen. Das Experiment erfordert zudem Hochvakuum zwischen 10-4 und 10-6 Pascal, da ultraviolettes Licht dieser Wellenlänge in Luft, insbesondere durch Sauerstoff, absorbiert wird, wie Peik erklärt.

Was sagen Zahlen und Fachleute zu dem Durchbruch?

Die Nature-Redaktion zählte Peik 2024 zu den zehn prägendsten Forscherinnen und Forschern des Jahres. Bestätigt wurden die Braunschweiger und Wiener Messungen inzwischen auch von US-Laboren, darunter JILA in Boulder und die UCLA.

Mit den neuen Messmöglichkeiten hat das Team bereits einen ersten Test durchgeführt, ob der Thorium-229-Kern an Formen dunkler Materie koppelt. Wenige Wochen nach der Veröffentlichung berichtete auch eine chinesische Kooperation unter Leitung der Tsinghua-Universität von ähnlichen Experimenten – ein Hinweis darauf, wie sehr das Forschungsfeld inzwischen in Bewegung ist.

Was kommt als Nächstes?

Die derzeitige Stabilität der Kernuhr stellt gegenüber optischen Atomuhren mit gespeicherten Atomen oder Ionen noch keinen Rekord dar, räumt Peik ein. Er geht aber davon aus, dass die Betriebssicherheit der Thorium-Kernuhr in wenigen Jahren der von optischen Atomuhren nahekommen könnte.

Mit höherer spektroskopischer Auflösung als bisherige kernphysikalische Experimente soll die Kernuhr künftig auch prüfen helfen, ob fundamentale Naturkonstanten tatsächlich konstant bleiben, so Peik. Zwei Publikationen zu den Ergebnissen erscheinen demnach in Kürze.

Bild: Symbolbild, KI-erzeugt.