Nichts fürs Handgelenk: Die superexakten Nachfolger der Atomuhren

Etwa eine Sekunde Abweichung. Das klingt für eine angeblich genaue Uhr nicht so gut. Eine Sekunde in 550 Milliarden Jahren allerdings schon. Genau das sollen sogenannte Kernuhren eines Tages leisten, wenn man beteiligten Forschern glaubt. Und selbst die ersten beiden Prototypen, die jetzt vorgestellt werden, ticken schon ziemlich akkurat.

Goldstandard der Zeitmessung sind heute Atomuhren. Sie arbeiten mit Elektronen in der Hülle von Atomen. Die jetzt im Fachmagazin „Nature“ vorgestellten Zeitnehmer dagegen nutzen den Rhythmus von Atomkernen als Taktgeber.

Gleich zwei Forschungsteams ist es jetzt erstmals gelungen, solche Kernuhren zum Ticken zu bringen. Sie liefen über 24 Stunden mit einer Genauigkeit, die über einen Zeitraum von 30 Millionen Jahren einer Abweichung von nur einer Sekunde entspricht, berichten die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

Damit erreichen die Forscher bereits mit ihren Prototypen etwa dieselbe Genauigkeit, wie beispielsweise die für die Satellitennavigation eingesetzten Atomuhren. Doch einen neuen Rekord für die Zeitmessung stellen die Forscher damit bei weitem nicht auf.

Dies gelang jüngst Forschern der Universität von Singapur mit einer Lutetium-Atomuhr: Erst nach 55 Milliarden Jahren würde sie eine Abweichung von einer Sekunde zeigen. Zum Vergleich: Unser Universum ist erst 13,8 Milliarden Jahre alt. Doch Kernuhren haben, sagen beteiligte Forschende, das Potenzial, diese Genauigkeit noch einmal zu übertreffen. Um das Zehnfache.

Hypergenau gesteuerte Energie, hypergenaue Uhr

Atomuhren und Kernuhren basieren auf ähnlichen Prinzipien: Ein Laserstrahl hebt ein Atom auf einen energetisch höheren Zustand. Bei einer Atomuhr ist es ein Elektron in der Atomhülle, das diesen „Quantensprung“ vollzieht, bei einer Kernuhr der Atomkern selbst. Der Vorteil hier: Da der Atomkern sehr viel schwerer ist als ein Elektron und zudem durch die Elektronenhülle nach außen abgeschirmt ist, reagiert er sehr viel weniger empfindlich auf äußere Einflüsse wie etwa Temperaturschwankungen.

Doch während sich bei einer Atomuhr die Elektronen mit einem normalen Laser im optischen, ultravioletten und infraroten Bereich anregen lassen, benötigen Atomkerne sehr viel mehr Energie: Es wären meist hochenergetische Röntgen- oder gar Gammastrahlen nötig.

Eine Ausnahme gibt es aber: Der Atomkern des Isotops Thorium-229 lässt sich bereits mit einem ultravioletten Laser zu so einem Übergang anregen. Schon im Jahr 2003 schlug deshalb Ekkehard Peik von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig den Bau einer Thorium-Kernuhr vor.

Doch es dauerte zwei Jahrzehnte, bis ein Team um Peik und Thorsten Schumm von der Technischen Universität Wien die Energie für den Quantensprung im Atomkern genau genug gemessen hatten, um zumindest das technische Prinzip einer Kernuhr im Labor zu demonstrieren. „Um die Anregung des Atomkerns zu erreichen“, erläutert Peik, „muss die Energie des Lasers auf den millionsten Teil eines Elektronenvolts genau eingestellt sein.“

Um vom technischen Prinzip zu einer funktionierenden Kernuhr zu gelangen, mussten die Forscher eine weitere Hürde überwinden. „Die Frequenz des Lasers verändert sich von Zeit zu Zeit, beispielsweise durch Temperaturschwankungen“, erklärt Schumm. „Drift“ nennen die Forscher dieses Phänomen. Deshalb benötigen Kernuhren – genau wie Atomuhren – eine Rückkopplung.

Ein zweiter Laser prüft dabei ständig, ob eine Anregung stattfindet. Wenn nicht, wird der erste Laser automatisch nachjustiert. Der Laser hat also durch die Rückkopplung eine stabile Energie und Frequenz. Man kann es auch noch exakter, wissenschaftlicher ausdrücken: Die Strahlung des Lasers enthält eine feste Anzahl von Schwingungen pro Sekunde. Und diese Schwingungen sind gewissermaßen das Pendel der Uhr.

Peik und Schumm ist es jetzt mit ihrem Team an der TU Wien erstmals gelungen, eine solche Kernuhr mit automatischer Rückkopplung stabil zum Laufen zu bringen. Zeitgleich meldete auch ein Forschungsteam aus China einen solchen Erfolg. Beide Forschungsgruppen verwenden bei ihren Experimenten Fluorit-Kristalle, in die Thorium-229-Atome eingebettet sind. Das Fluorit ist für die verwendeten Laserstrahlen durchsichtig und hält die Atome an ihrem Platz.

„Die Genauigkeit erreicht zwar noch nicht das Niveau der weltbesten Atomuhren“, sagt Schumm, „aber für einen Prototyp ist es ein fantastisches Ergebnis.“ Ziel der Forscher ist es nun, die Technik zu verbessern. Dafür kommen stabilere Laser und reinere Kristalle infrage. Beides würde die Genauigkeit erhöhen. Auch kleiner und damit praxistauglicher sollen die Nachfolger der derzeitigen klobigen Laborinstallationen werden. (dpa)