Atomkernuhr aus Wien: Warum Thorium-229 die Zeitmessung verändern könnte

Thorsten Schumm und sein Team an der Technischen Universität Wien haben einen Prototyp vorgestellt, der als erste selbststabilisierende Atomkernuhr gilt. Die Uhr hält ihre Frequenz über 24 Stunden allein durch Thorium-229-Kerne stabil, ohne eine herkömmliche Atomuhr als Referenz zu benötigen. Das Prinzip gilt als Grundlage für künftig noch präzisere Zeitmessung.

Wien hat eine Rekorduhr

Der Prototyp stabilisiert sich selbst, indem Thorium-Atomkerne die Frequenz des eingesetzten Lasers regulieren. Eine kontinuierliche externe optische Referenz braucht die Anlage dafür nicht mehr. Das Herzstück, ein Kristall mit eingebetteten Thorium-Atomen, wurde an der TU Wien selbst hergestellt.

So funktioniert die Idee

Thorium-229-Kerne besitzen zwei Energiezustände, die extrem nah beieinander liegen. Nur deshalb lassen sie sich gezielt mit ultraviolettem Laserlicht zwischen diesen Zuständen umschalten. Bei den meisten anderen Atomkernen sind die Energieabstände viel größer, sodass Laserlicht dort keine Wirkung zeigt.

Entscheidend ist zudem die Größe: Atomkerne sind über zehntausendmal kleiner als ganze Atome und reagieren laut Schumm deutlich schwächer auf äußere Störungen als die Elektronenhüllen, auf die bisherige Atomuhren setzen.

Meilensteine seit 2024

Der Atomkernübergang bei Thorium-229 wurde im April 2024 erstmals experimentell nachgewiesen. Im Herbst desselben Jahres zeigte das Team, dass sich daraus eine hochpräzise Uhr bauen lässt. Ein dauerhaft selbst geregelter Betrieb einer solchen Thorium-Kernuhr stand davor noch aus.

Präzision im Vergleich

Über 24 Stunden gemessen, erreicht die Atomkernuhr eine Präzision von etwa 10 hoch minus 15. Das entspricht laut Schumm einem Fehler von nur einer Sekunde in 30 Millionen Jahren. An die Genauigkeit der weltbesten optischen Atomuhren reicht der Prototyp damit aber noch nicht heran.

Was als Nächstes kommt

Schumm kündigt an, die Präzision der Atomkernuhr künftig durch stärkere Laser und verbesserte Thorium-Kristalle weiter zu steigern. Genau an diesem Punkt setzt die nächste Entwicklungsstufe des Wiener Projekts an.

Bild: Symbolbild, KI-erzeugt.