Mit einem Atomkern die Zeit messen – ScienceDaily


Kernuhren könnten es Wissenschaftlern in Zukunft ermöglichen, die fundamentalen Kräfte des Universums zu erforschen. Im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit haben LMU-Forscher auf diesem Gebiet einen entscheidenden Fortschritt erzielt.

Atomuhren messen die Zeit so präzise, ​​dass sie alle 30 Milliarden Jahre weniger als eine Sekunde gewinnen oder verlieren. Mit sogenannten Atomuhren wäre es möglich, die Zeit noch genauer zu messen. Darüber hinaus würden sie es Wissenschaftlern ermöglichen, tiefer in grundlegende physikalische Phänomene einzutauchen. „Wir sprechen von den Kräften, die die Welt im Innersten zusammenhalten“, sagt LMU-Physiker Professor Peter Thirolf, der seit vielen Jahren an Kernuhren forscht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Atomuhren würden diese Art von Uhren Kräfte im Inneren des Atomkerns registrieren. „Dadurch würde sich eine ganze Reihe von Forschungsfeldern eröffnen, die mit Atomuhren nie erforscht werden könnten“, ergänzt Thirolfs Kollege Dr. Sandro Kraemer, der das Projekt während seiner Promotion an der KU Leuven in Belgien maßgeblich vorangetrieben hat.

Im Rennen um die Atomzeit liegen Thirolf und Kraemer in der Spitzengruppe. Am Lehrstuhl für Experimentalphysik in Garching haben die beiden Wissenschaftler nun gemeinsam mit einem internationalen Team einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur ersten Atomuhr gemacht. Wie sie im Journal berichten NaturDank eines neuen experimentellen Ansatzes ist es ihnen gelungen, die Anregungsenergie von Thorium-229 mit großer Präzision zu charakterisieren. Dieser Atomkern soll künftig als Zeitmesselement für Atomuhren dienen. Die genaue Kenntnis darüber, welche Frequenz zur Anregung benötigt wird, ist entscheidend für die Machbarkeit der Technologie.

Die innerste Uhr

Für eine Uhr braucht man etwas, das periodisch schwingt und etwas, das die Schwingungen zählt. Eine Standuhr verfügt über ein mechanisches Pendel, dessen Schwingungen vom Uhrwerk registriert werden. Bei Atomuhren fungiert die Atomhülle als Zeitnehmer. Elektronen werden angeregt und wechseln zwischen hohem und niedrigem Energieniveau hin und her. Dann geht es darum, die Frequenz der Lichtteilchen zu zählen, die das Atom aussendet, wenn die angeregten Elektronen in ihren Grundzustand zurückfallen.

Bei Atomuhren ist das Grundprinzip sehr ähnlich. Dabei dringen wir bis zum Atomkern vor, wo ebenfalls verschiedene Energiezustände zu finden sind. Wenn es uns gelingen würde, sie mit einem Laser präzise anzuregen und die Strahlung zu messen, die der Kern beim Zurückfallen in seinen Grundzustand aussendet, dann hätten wir eine Kernuhr. Die Schwierigkeit besteht darin, dass es von allen der Wissenschaft bekannten Atomkernen nur einen gibt, der sich für diesen Zweck eignet: Thorium-229. Und selbst das war lange Zeit reine Theorie.

Ein Kern wie kein anderer

Das Besondere an Thorium-229 ist, dass sein Kern mit einer relativ niedrigen Lichtfrequenz in einen angeregten Zustand versetzt werden kann – eine Frequenz, die mit UV-Lasern gerade noch erreichbar ist. Die Forschung stagnierte 40 Jahre lang, denn obwohl Wissenschaftler vermuteten, dass ein Atomkern mit den richtigen Eigenschaften existiert, konnten sie diese Hypothese experimentell nicht bestätigen. Und dann gelang Thirolfs Forschungsgruppe an der LMU 2016 ein Durchbruch, als sie den angeregten Zustand des Kerns von Thorium-229 direkt bestätigte. Dies war der Startschuss für den Wettlauf um die Atomuhr. Mittlerweile haben viele Gruppen weltweit das Thema aufgegriffen.

Um eine Uhr in Gang zu bringen, müssen das Zeitmesselement und das Uhrwerk perfekt aufeinander abgestimmt sein. Im Fall der Kernuhr bedeutet das, dass man genau wissen muss, mit welcher Frequenz der Atomkern von Thorium-229 schwingt. Nur dann kann man Laser entwickeln, die genau diese Frequenz anregen. „Man kann es sich wie eine Stimmgabel vorstellen“, erklärt Kraemer. „So wie ein Musikinstrument versucht, die Frequenz der Stimmgabel anzupassen, so versucht der Laser, die Frequenz des Thoriumkerns zu treffen.“

Würde man alle möglichen Frequenzen mit verschiedenen Lasern ausprobieren, würde das ewig dauern. Ganz zu schweigen davon, dass Laser im entsprechenden UV-Lichtspektrum erst aufwändig entwickelt werden müssten. Um den Bereich einzugrenzen, in dem die Schwingungsfrequenz von Thorium-229 liegt, gingen die Forscher daher einen anderen Weg. „Die Natur ist manchmal gnädig und bietet uns verschiedene Routen“, sagt Thirolf. Tatsächlich sind Laser nicht die einzige Möglichkeit, den angeregten Zustand des Thoriumkerns zu erzeugen. Es tritt auch auf, wenn radioaktive Kerne in Thorium-229 zerfallen. „Also beginnen wir sozusagen mit den Großeltern und Urgroßeltern des Thoriums.“

ISOLDE geht neue Wege

Diese Vorfahren heißen Francium-229 und Radium-229. Da beides in der Natur nicht leicht vorkommt, müssen sie synthetisch hergestellt werden. Derzeit gibt es nur sehr wenige Orte auf der Welt, die dazu in der Lage sind. Eines davon ist das ISOLDE-Labor der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Genf, das den alten Traum der Alchemisten – die Umwandlung eines Elements in ein anderes – möglich gemacht hat. Um dies zu erreichen, bombardieren Wissenschaftler Urankerne mit Protonen, die auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, und erzeugen so verschiedene neue Kerne – darunter Francium und Radium. Diese Elemente zerfallen schnell in den radioaktiven Ausgangskern von Thorium-229: Actinium-229.

Kraemer, Thirolf und ihre internationalen Kollegen betteten dieses aufwendig hergestellte Aktinium in spezielle Kristalle ein, in denen das Aktinium im angeregten Zustand in Thorium zerfällt. Wenn das Thorium in seinen Grundzustand zurückspringt, sendet es die Lichtteilchen aus, deren Frequenz für die Entwicklung der Kernuhr so ​​entscheidend ist. Dies zu beweisen ist jedoch keine triviale Aufgabe. „Wenn die Kerne nicht genau an der richtigen Stelle im Kristall sitzen, haben wir keine Chance“, sagt Kraemer. „Die Elektronen in der Umgebung absorbieren die Energie und nichts, was wir messen können, gelangt nach draußen.“

An dieser Hürde scheiterten bisherige Versuche, Uran statt Aktinium in das Kristallgitter einzubauen. „Wenn Uran-233 in Thorium-229 zerfällt, entsteht ein Rückstoß, der im Kristall verheerende Auswirkungen hat“, erklärt Thirolf. Der Zerfall von Aktinium in Thorium verursacht dagegen weitaus weniger Schäden, weshalb die Forscher für die neue Studie in Zusammenarbeit mit CERN diesen aufwändigen Weg gewählt haben.

Die harte Arbeit und Geduld haben sich gelohnt: Mit ihrer neuen Methode konnte das Team die Energie des Zustandsübergangs sehr genau bestimmen. Sie zeigten auch, dass eine Kernuhr auf Basis von in einen Kristall eingebettetem Thorium machbar ist. Solche festkörperbasierten Uhren hätten gegenüber anderen Ansätzen den Vorteil, dass sie deutlich schneller Messergebnisse liefern würden, weil sie mit einer größeren Anzahl von Atomkernen arbeiten.

Eine Frage der Zeit

„Wir wissen jetzt, welche Wellenlänge wir ungefähr benötigen“, sagt Thirolf. Aufbauend auf den neuen Erkenntnissen wird es die nächste Aufgabe sein, die genaue Übergangsenergie schrittweise einzugrenzen. Zunächst erzeugen die Forscher mit einem Laser eine Anregung. Und dann können sie die Frequenz mit immer präziseren Lasern immer genauer anvisieren. Damit dies nicht allzu lange dauert, nutzen sie für die Suche nach der Nadel im Heuhaufen nicht sozusagen eine Pinzette, sondern einen Rechen. Dieser „Rechen“ heißt „Frequenzkamm“ und wurde von Thirolfs LMU-Kollege Professor Theodor Hänsch entwickelt, der dafür 2005 den Nobelpreis für Physik erhielt. Mit dem Kamm können Wissenschaftler Hunderttausende Wellenlängen gleichzeitig scannen, bis sie die richtige gefunden haben.

Auf dem Weg zu Atomuhren bleiben einige Herausforderungen bestehen. Wissenschaftler müssen das Thorium-Isomer besser verstehen, Laser entwickeln, Theorien ausarbeiten. „Aber es lohnt sich, durchzuhalten“, meint Thirolf. „Das Projekt eröffnet auf lange Sicht so viele neue Anwendungsmöglichkeiten, dass sich der experimentelle Aufwand lohnt“, fügt Kraemer hinzu. Diese neuen Möglichkeiten umfassen nicht nur die physikalische Grundlagenforschung, sondern auch praktische Anwendungen. Mit einer Kernuhr könnten Wissenschaftler kleinste Veränderungen im Gravitationsfeld der Erde erkennen, die beispielsweise bei der Verschiebung tektonischer Platten oder vor Vulkanausbrüchen auftreten. Mit den neuen Erfolgen rückt der Preis in greifbare Nähe. Die ersten Prototypen könnten in weniger als zehn Jahren hier sein. „Vielleicht haben wir sie sogar rechtzeitig für die Neudefinition der Sekunde im Jahr 2030 fertig“, hoffen die beiden Physiker. Sie beziehen sich auf Pläne für eine neue, präzisere Standarddefinition einer Sekunde, für die Wissenschaftler modernste Atomuhren verwenden werden – und vielleicht sogar die ersten Atomuhren.

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