Erster Schritt zur Atomkernuhr

Durchbruch für bessere Zeitmessung: Physikern ist ein wichtiger Schritt zu einer Atomkernuhr gelungen – einer Uhr, bei der Schwingungen im Kern selbst den Takt angeben. Zwei Forscherteams haben erstmals die genaue Energie bestimmt, die für die Anregung des Atomkerns von Thorium-229 nötig ist. Dies ebnet den Weg zu einer Zeitmessung, die robuster und genauer ist als alle gängigen Atomuhren, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Eine Uhr kann die Zeit umso genauer messen, je schneller ihr Taktgeber tickt. Seit gut 50 Jahren liefern Atomuhren mit dem Übergang von Elektronen zwischen zwei Energiezuständen diesen Taktgeber. Ultrakalte Wolken von Cäsium-, Strontium– oder Ytterbium-Atomen werden dafür mit Mikrowellen oder Lasern angeregt und die dafür nötige Frequenz dieser Wellen bildet das „Ticken“ der Uhr. Diese Atomuhren sind inzwischen so genau, dass man mit ihnen sogar die gravitationsbedingte Zeitdifferenz zwischen einem Berggipfel und dem Tal messen kann.

Quantensprung im Atomkern

Doch es ginge noch exakter – mit einer Uhr, die nicht die Zustände der Elektronen, sondern die des Atomkerns als Taktgeber nutzt. Denn auch die Protonen und Neutronen im Atomkern sind nicht statisch. Stattdessen bewegen sie sich je nach Energiegehalt in bestimmten Orbitalen umeinander und können sogar zu schnellen „Ausreißern“ werden. Durch Energiezufuhr lassen sich die Kernbausteine auf andere Bahnen anheben und der Atomkern wechselt in den angeregten Zustand.

Das Problem jedoch: Die Atomkerne der meisten Elemente und Isotope erfordern für ihre Anregung mehr Energie als man mit heutigen Lasern erzeugen kann. Es gibt aber eine Ausnahme: die Kerne des radioaktiven Thorium-Isotops 229: „Knapp über dem Grundzustand – dem Zustand mit der kleinstmöglichen Energie – gibt es erstaunlicherweise einen weiteren Kernzustand, den wir Isomer nennen“, erklärt Koautor Thorsten Schumm von der TU Wien. Der Energieunterschied zwischen beiden Zuständen ist vergleichbar mit dem der klassischen Elektronenübergänge – und daher mit Lasern erreichbar.

Thorium-229: Energieniveau gesucht

„Diese Eigenschaften machen Thorium-229 zum einzigen Kandidaten für einen neue Art optischer Uhren, die Kernübergänge statt Elektronenübergängen zur Zeitmessung nutzen“, konstatieren Erstautor Benedict Seiferle von der Ludwigs-Maximilians-Universität München (LMU) und seine Kollegen. Zudem hält der angeregte Isomer-Zustand beim Thorium-229 mit fast drei Stunden lange genug an, um ihn messen zu können.

Doch bisher gab es auch beim Thorium-229 einen Haken: Niemand kannte das genaue Energieniveau des Thorium-229-Isomers. Man konnte es nur grob mithilfe von indirekten Messungen eingrenzen – für eine Kernuhr jedoch muss die energetische Lage des Übergangs mögliche genau bekannt sein, Denn nur dann kann man Laserstrahlen der passenden Wellenlänge einsetzen.

Benedict Seiferle (rechts) mit Kollegen vor dem experimentellen Modell einer Atomkernuhr. © Franz Engelbrecht

Fliegender Wechsel

Jetzt ist die gleich zwei Forscherteams die entscheidende Messung gelungen. Seiferle und seine Kollegen erzeugten durch den Zerfall von Uran zunächst Thorium-Ionen im angeregten Isomerzustand. Diese Ionen schossen sie dann durch eine dünne Graphen-Schicht, wodurch aus den Ionen wieder neutrale, noch immer angeregte Atomkerne wurden. Nach wenigen Mikrosekunden fallen diese Thorium-229-Kerne wieder in den Grundzustand zurück. Dabei geben sie ihre Energie an ein Elektron ab, das ausgeschleudert wird und ein Thorium-Ion im Grundzustand hinterlässt.

Der Clou dabei: Das ausgeschleuderte Elektron verrät, auf welchem Energieniveau der Isomerzustand des Thorium-229 liegt. Die Forscher haben daher die Energie dieser Elektronen gemessen und konnten so nach Berücksichtigung weiterer Faktoren auf die Energie des gesuchten Thorium-Kernzustandes schließen.

Übergang bei 149,7 Nanometern

Das Ergebnis: „Die Energie des Übergangs zwischen dem Grundzustand und dem ersten angeregten Zustand entspricht einer Wellenlänge von 149,7 Nanometern“, berichten Seiferle und seine Kollegen. Damit ist es erstmals gelungen, dieses für künftige Atomkernuhren so wichtige Energieniveau einzugrenzen. Das Ergebnis bestätigt zudem, dass dies ein Wellenlängenbereich ist, den energiereiche UV-Laser erreichen können.

Auf einen ähnlichen Wert kam das japanische Team um Takahiko Masuda von der Universität Okayama. Sie hatten Thorium-229 zunächst mittels intensiver, hochfokussierter Röntgenstrahlung zunächst in den zweiten, über dem Isomer liegenden Anregungszustand versetzt. Von diesem Zustand mit rund tausendfach höherer Energie fielen die Thoriumkerne in den Isomerzustand zurück. Diesen Wechsel konnten die Forscher messen und damit auch das Energieniveau des Isomerzustands eingrenzen.

„Ein extrem wichtiger Schritt“

Dank dieser neuen Messungen rückt nun auch die Atomkernuhr näher. Denn auf Basis der Ergebnisse können nun passende Laser für solche Kernuhren konstruiert werden. „Das ist ein extrem wichtiger Schritt für uns: Wir wissen nicht nur, dass es den angeregten Zustand knapp über dem Grundzustand tatsächlich gibt, wir kennen nun auch seine Energie recht genau“, sagt Schumm.

Wenn es gelingt, Atomkernuhren zu konstruieren, wären diese nicht nur gut eine Größenordnung genauer als herkömmliche Atomuhren. Sie wären auch erheblich robuster, weil der Atomkern besser gegen Störungen wie elektromagnetische Felder abgeschirmt ist. Mithilfe solcher kompakter, hochpräziser Atomkernuhren könnte man aber nicht nur die Zeit genauer messen, man könnte auch beispielsweise Naturkonstanten präziser überprüfen oder winzige Unregelmäßigkeiten im Schwerefeld der Erde ermitteln. (Nature, 2019; doi: 10.1038/s41586-019-1533-4; doi: 10.1038/s41586-019-1542-3)

Quelle: Technische Universität Wien, Ludwigs-Maximilians-Universität München