Thoriumuhren laufen, hinken Atomuhren nach

Aus einer lang verfolgten Idee ist Labortechnik geworden: Teams in Wien und Peking haben die ersten Uhren gebaut, die einen Laser auf einen Übergang im Atomkern abgestimmt halten; als Referenz dient Thorium-229 (Reuters). Der NIST-Physiker Kyle Beloy sagte Chemical & Engineering News, die Prototypen lägen bei Genauigkeit und Stabilität noch „um Größenordnungen“ hinter den besten optischen Atomuhren zurück (C&EN).

Physiker wollen eine Referenz im Atomkern, weil dieser auf andere Kräfte reagiert als die Elektronen, auf denen gewöhnliche Atomuhren beruhen. Vergleiche zwischen beiden Uhrentypen eröffnen eine neue Möglichkeit zu prüfen, ob die Naturgesetze konstant bleiben.

Wie ein Kristall zur Uhr wird

Beide Teams schicken ultraviolettes Laserlicht durch mit Thorium-229 dotierte Kristalle und suchen im austretenden Licht nach einem schwachen Absorptionsminimum (To Brief). Es entsteht, wenn der Laser genau die Frequenz trifft, die die Atomkerne absorbieren. Physiker nennen diesen Punkt Resonanz.

Das Minimum einmal zu finden ist einfach, verglichen damit, den Laser darauf zu halten. Deshalb prüfen die Teams die Absorption knapp oberhalb und unterhalb der gewählten Frequenz. Sitzt der Laser genau in der Mitte, absorbieren beide Seiten gleich viel Licht. Weicht er ab, absorbiert eine Seite mehr; aus diesem Ungleichgewicht erkennt die Steuerung, in welche Richtung sie den Laser nachstellen muss.

Man kann sich das wie einen Stand auf einem Berggipfel im Nebel vorstellen: Den Gipfel sieht man nicht, doch ein Schritt nach links und einer nach rechts zeigen, in welche Richtung das Gelände abfällt. Die fortlaufende Korrektur macht aus dem Laser eine Uhr.

Drei Arten, wie eine Uhr ungenau sein kann

Eine Personenwaage und ein Prüfgewicht helfen, drei Eigenschaften auseinanderzuhalten. Stabilität beschreibt, wie wenig die Anzeige schwankt, solange das Gewicht auf der Waage liegt. Reproduzierbarkeit meint, ob die Waage morgen für dasselbe Gewicht wieder denselben Wert anzeigt. Genauigkeit zeigt, ob der angezeigte Wert der tatsächlichen Masse entspricht.

Für die Stabilität geben Physiker einen „Instabilitätskoeffizienten“ an: Er misst, wie stark die Taktrate im zeitlichen Mittel schwankt. Je niedriger der Wert, desto besser. Peking meldete 5 × 10⁻¹³ auf Grundlage einer 3,8-stündigen Messreihe (Beijing manuscript). Die Uhr in Wien lief einen ganzen Tag unbeaufsichtigt und erreichte 3 × 10⁻¹² (Vienna Nature paper).

Zum Vergleich: Eine veröffentlichte Atomuhr mit einem Aluminium-Ion erreicht etwa 3,5 × 10⁻¹⁶ (aluminium-ion clock paper, NIST record). Jede Stufe im Exponenten entspricht einem Faktor zehn; das ist der Abstand, den Beloy beschreibt. Die beiden Kernuhren nutzen unterschiedliche Aufbauten und Messzeiten. Der niedrigere Wert aus Peking macht sie deshalb nicht insgesamt zur besseren Uhr.

Diese Zahlen erfassen nur die kurzfristigen Schwankungen. Keine der beiden Teams hat bislang eine vollständige Genauigkeitsbilanz vorgelegt, in der alle Einflüsse geprüft werden, die eine Uhr von ihrer tatsächlichen Frequenz abbringen könnten. Wie groß der Abstand bei der Genauigkeit ist, lässt sich daher noch nicht beziffern.

Ein Ziel, das nicht stillsteht

Auch der gemessene Absorptionspeak ist breit. Der ausgewählte Peak in Peking erstreckte sich über etwa 27 Kilohertz (Physics World). Ein breiter Peak ist ein unscharfes Ziel: Die Steuerung kann seine genaue Mitte schwerer bestimmen.

Die zweite Schwierigkeit zeigte sich in Wien. Das Team richtete den Laserstrahl auf fünf verschiedene Stellen desselben Kristalls und stellte fest, dass sich die Resonanzmitte um bis zu etwa 1,7 Kilohertz verschob. Zufällige Messstreuung könnte davon nur etwa 0,13 Kilohertz erklären (Vienna manuscript). Die scheinbare Referenzfrequenz änderte sich also mit dem Auftreffpunkt des Strahls – ähnlich wie bei einer Waage, die je nach Position des Gewichts einen anderen Wert anzeigt.

Die Ursache hat das Team noch nicht geklärt; ein Strahlengang, der sich exakt wiederholen lässt, gehört zu den vorgeschlagenen Abhilfen. Die ungleichmäßigen Messwerte erklären mit, warum die Frequenzen von Tag zu Tag nur auf etwa 5 × 10⁻¹³ übereinstimmten (Vienna Nature paper) – eine gröbere Übereinstimmung, als einzelne Messläufe erwarten lassen.

Wien und Peking haben gezeigt, dass Atomkerne in einem Kristall einen Laser steuern und stundenlang, in Wien sogar einen ganzen Tag, auf Resonanz halten können. Die gemessene Stabilität liegt weit hinter der führender optischer Uhren; die Genauigkeit ist noch nicht bewertet. Die Cäsiumatomuhr definiert weiterhin die offizielle Sekunde (BIPM). Als Nächstes braucht es wiederholte Messläufe über mehrere Tage und mit verschiedenen Geräten, eine vollständige Erfassung systematischer Frequenzverschiebungen und anschließend lange Direktvergleiche mit optischen Uhren.