Einen Tick näher an der weltbesten Uhr

Die Kernuhr könnte die Atomuhr ablösen. Nun ist ein wichtiger Schritt bei deren Entwicklung gelungen.

Im Bürogebäudekomplex Canary Wharf auf der Isle of Dogs in London ist für viele Zeit vor allem eines: Geld. Foto: Reuters ImageCaption. Foto: Fotograf

Im Bürogebäudekomplex Canary Wharf auf der Isle of Dogs in London ist für viele Zeit vor allem eines: Geld. Foto: Reuters ImageCaption. Foto: Fotograf

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Auf den ersten Blick wirkt es wie eine Utopie detailversessener Physiker: Warum um alles in der Welt braucht es eine Uhr, die in 1000 Milliarden Jahren nur eine Sekunde falsch geht? 1000 Milliarden Jahre, das ist fast 100-mal so lang, wie das Universum alt ist. Zumindest für die Zeitumstellung am kommenden Wochenende ist eine entsprechend präzise Uhr eher unbedeutend.

Dennoch ist es seit Jahren das erklärte Ziel einiger Wissenschaftler, einen dermassen genauen Taktgeber zu entwickeln. Während heutige Atomuhren auf der Physik der atomaren Elek­tronenhülle beruhen, soll die neuartige Uhr physikalische Effekte im Atomkern nutzen. Vereinfacht ausgedrückt, ist ein Atomkern solider als die luftige Elektronenhülle. Daher liesse sich eine Kernuhr weniger leicht durch Störfaktoren wie elektromagnetische Felder oder thermische Strahlung aus dem Takt bringen und sollte daher zumindest theoretisch eine weit genauere Zeitmessung erlauben als eine Atomuhr heutiger Bauart.

Für die Wissenschaft wäre das von grosser Bedeutung, angefangen bei der Suche nach dunkler Materie im All bis zu einem Test von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. «Ganz grundsätzlich spielt die Zeiteinheit Sekunde im Internationalen Einheitensystem eine entscheidende Rolle», sagt Jacques Morel, Leiter des Labors Photonik, Zeit und Frequenz am Eidgenössischen Institut für Metrologie (Metas). «Je genauer wir die Sekunde realisieren können, desto genauer lassen sich auch viele andere Einheiten realisieren.»

Thorium-Kerne als Taktgeber für die Kernuhr

Als Taktgeber einer Kernuhr werden Atomkerne des Isotops Thorium-229 verwendet, ein künstlich in Speziallabors hergestelltes Material. Als einziger Atomkern besitzt Thorium-229 die Eigenschaft, dass er sich mithilfe eines Lasers vom Grundzustand in einen angeregten Energiezustand versetzen lässt, den sogenannten Isomerzustand. Bei allen anderen Atomkernen erfordert die Anregung auf den Isomerzustand eine höhere Energie, als man sie mit heutigen Lasern bereitstellen kann. Die Schwingungen des Lichts, das ein angeregter Thorium-Kern nach gewisser Zeit abstrahlt, sollten sehr stabil sein und der Kernuhr einen äusserst konstanten und schnellen Takt verleihen – mit mehr als einer Billiarde (1000 Millionen Millionen) Schlägen pro Sekunde.

Das Problem: Die exakte Energie des Isomerzustands von Thorium-229 war bislang nicht bekannt. Daher war auch unklar, welche Frequenz oder «Farbe» ein Laser exakt haben müsste, um den Thorium-Kern anzuregen und somit eine Thorium-Kernuhr bauen zu können. Nun ist gleich zwei Forscherteams eine entscheidende Messung gelungen, wie sie im Fachmagazin «Nature» berichten. Demnach müsste der Laser zur Anregung des Thorium-Kerns Licht einer Wellenlänge von rund 149,7 Nanometern aussenden, berichtet eine Forschergruppe um Benedict Seiferle von der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. Das ist ein Wellen­längenbereich, den energiereiche Ultraviolett-Laser erreichen können. Auf einen ähnlichen Wert kam das japanische Team um Takahiko Masuda von der Universität Okayama.

«Bei den Experimenten von Seiferle und Kollegen ist das wichtigste Ergebnis der genauere Wert für die Übergangsenergie im Kern», sagt Ekkehard Peik von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, der das Konzept einer Thorium-Uhr schon vor mehr als einem Jahrzehnt zusammen mit seinem Kollegen Christian Tamm entwickelt hat. «Es gab dazu in den letzten zwölf Jahren weltweit nur eine präzise Messung. Das neue Ergebnis ist um einen Faktor drei genauer.» Damit sei das Suchintervall für die korrekte Laserfrequenz deutlich reduziert. Das Experiment von Masuda und Kollegen sei zwar nicht direkt relevant für den Uhrenbetrieb. «Es wird aber erlauben, die Struktur dieses ungewöhnlichen Atomkerns besser zu verstehen.»

Wir hoffen, dass in fünf bis sechs Jahren eine funktions­fähige Kernuhr entwickelt wird.Benedict Seiferle, Ludwig-Maximilians-Universität, München

Laut Morel vom Metas sind die Resultate «für die Entwicklung einer Kernuhr sicher ein wichtiger Schritt». Das bedeute aber noch nicht, dass man die Sekunde bald neu definieren könne. «Zuerst muss man mehrere dieser Kernuhren bauen und diese Uhren dann miteinander vergleichen können, um die Messungen zu bestätigen.» Das werde noch viele Jahre brauchen.

Weitergeforscht wird auf jeden Fall. Das Projekt «Thorium Nuclear Clock» unter der Leitung von Thorsten Schumm von der Technischen Universität Wien, Co-Autor beider «Nature»-Publi­kationen, wird mit einem ERC Synergy Grant vom European Research Council im Umfang von rund 15 Millionen Franken gefördert. Auch Peik von der PTB ist am Projekt beteiligt, wie auch die Gruppe um Peter Thirolf von der LMU München, der auch Sei-ferle angehört. «Der nächste wesentliche Schritt ist auf jeden Fall die Anregung des Kerns mit einem Laser», sagt Seiferle. «Wir hoffen, dass in den nächsten fünf bis sechs Jahren eine konzeptionell funktionsfähige Kernuhr entwickelt wird.» Ob diese Kernuhr dann schon die vorhergesagte Genauigkeit erzielen werde, sei indes fraglich. «Das wäre allerdings auch nicht nötig, um doch schon die Vorteile des Kerns auszunutzen.»

Anwendung fänden die hochgenauen Uhren zum Beispiel für die Überprüfung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Diese besagt, dass Massen nicht nur den Raum, sondern auch die Zeit beeinflussen. So vergeht die Zeit in der Nähe grosser Massen langsamer. Allerdings ist die Gravitation auf der Erde etwa im Vergleich zu supermassiven Schwarzen Löchern äusserst schwach. Uhren werden nur minimal beeinflusst. Deswegen braucht es enorm genaue Zeitmesser, um Einsteins Theorie hier vor Ort zu überprüfen.

Genauere Vermessungdes Geoids

Auch könnte man das sogenannte Geoid der Erde genauer vermessen: Das ist die Fläche, auf der die Erdanziehung (Gravitation) rund um den Globus dieselbe ist. Dazu müsste man mit einer mobilen Kernuhr über die Erde spazieren und deren Taktrate mit einer stationären Uhr vergleichen. Die Laufzeitdifferenz ist dann ein direktes Mass für das Geoid. Auch für ein präziseres Satellitennavigationssystem sind noch genauere Uhren essenziell. Denn je genauer die Uhren in den Satelliten und am Boden ticken, desto exakter lässt sich die Laufzeit der Signale zwischen Satellit und Erde messen. Darauf basiert die Positionsbestimmung.

Mit einer Kernuhr liesse sich vielleicht auch die Frage klären, ob gewisse Naturkonstanten wirklich konstant sind. Sollte sich zum Beispiel die Kraft der elektromagnetischen Wechselwirkung oder die Kernkraft mit der Zeit ändern, würde die Übergangsenergie vom Grundzustand in den Isomerzustand von Thorium-229 enorm sensibel darauf reagieren. Folglich würde der angeregte Atomkern Licht einer etwas anderen Frequenz abstrahlen. Mithin sollten Kernuhren mit der Zeit minimal anders ticken als konventionelle Atomuhren. Ähnlich sensibel würde der angeregte Kernzustand von Thorium-229 auf die Existenz gewisser Kandidaten der seit langem gesuchten, aber immer noch rätselhaften kosmischen dunklen Materie reagieren.

Neben Kernuhren sind optische Atomuhren vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation hochgenauer Zeitmesser. Bei heutigen Atomuhren kommen durch Mikrowellen angeregte Cäsium-Atome zum Einsatz, deren Taktfrequenz im Bereich einiger Gigahertz liegt. Bei optischen Atomuhren ist die Taktfrequenz mehr als 10'000-fach höher. Dadurch ermöglichen sie eine etwa 100-fach höhere Genauigkeit. Es gibt unterschiedliche Varianten mit unterschiedlichen Atomen oder Ionen als Referenz – etwa mit Strontium-­Atomen oder Ytterbium-Ionen. Kernuhren dürften nochmals in etwa um einen Faktor zehngenauer ticken als optische Atomuhren.

«Natürlich sind wir an genaueren Uhren stark interessiert», sagt Morel vom Metas. «Wir verfolgen die Entwicklungen auf diesem Gebiet genau.» Momentan gehe es bei der optischen Atomuhr wie auch bei der Kernuhr noch um Grundlagen­forschung. «Aber falls die Entwicklung vielversprechend verläuft, werden wir wahrscheinlich Schritte zur Entwicklung oder Anwendung dieser Technologie machen. Denn diese Chancen wollen wir nicht verpassen.»

Erstellt: 23.10.2019, 23:29 Uhr

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