Thoriumkerne steuern, Kristalle stören Uhren

Bei einer Atomuhr wird die Laserfrequenz an einem Übergang im Atom ausgerichtet. Erstmals übernimmt diese Korrektur nun der Atomkern statt der Elektronen: Teams in Wien und Peking berichten in Nature am 7. Oktober über entsprechende Uhren (Reuters). Der Thoriumkern korrigiert den Laser laufend und eröffnet der Physik damit ein neues Messinstrument. Winzige Frequenzverschiebungen durch die Kristalle, in denen das Thorium fixiert ist, verhindern bislang eine verlässliche Zeitmessung.

Jede Uhr verbindet einen Takt mit einer Korrektur: Ein Pendel schwingt, und der Uhrmacher greift ein, wenn es aus dem Takt gerät. Bei einer Atomuhr übernimmt die Physik diese Nachjustierung: Ein Laser wird fortlaufend mit einem Übergang abgeglichen, also mit einem Sprung zwischen zwei Energiezuständen, bei dem Licht einer charakteristischen Frequenz absorbiert wird. Diese Frequenz ist äußerst konstant, kann sich durch die Umgebung des Atoms jedoch geringfügig verschieben.

Bei herkömmlichen Atomuhren vollzieht ein Elektron den Übergang. Thorium-229 ist ungewöhnlich, weil sein Atomkern einen Übergang aufweist, der mit ultraviolettem Laserlicht erreichbar ist; die meisten Kernübergänge erfordern deutlich energiereichere Strahlung. Atomkerne sind zudem sehr klein und sollten deshalb grundsätzlich weniger anfällig für fremde elektrische und magnetische Felder sein als die sie umgebenden Elektronenhüllen (Physics World).

Wie der Atomkern die Steuerung übernimmt

Beide Teams brachten Thorium-229 in kleine Calciumfluoridkristalle ein und strahlten einen schmalbandigen ultravioletten Laser hindurch. Bei genau passender Frequenz absorbieren die Kerne etwas mehr Licht. Das Regelsystem stellt die Laserfrequenz beiderseits des Absorptionsmaximums ein, erkennt am Signal, auf welcher Seite sie liegt, und führt sie zurück zur Mitte (Vienna Nature paper, Chinese Nature paper).

Das Prinzip ähnelt einem Spurhalteassistenten im Auto: Eine Kamera erfasst die Fahrbahnmarkierungen, und das System korrigiert die Lenkung, damit das Auto in der Spur bleibt. Bei der Uhr übernimmt das Absorptionssignal die Rolle der Kamera, während die Lasersteuerung gegenlenkt.

Dieser Regelkreis ist der neue Schritt. Bereits 2024 hatten Experimente den Übergang mit Laserlicht angeregt (Physical Review Letters). Damals wurde das Signal meist über das langsame Nachleuchten angeregter Kerne erfasst, das zu spät eintrifft, um den Laser laufend nachzuregeln. Einen Radiosender einmal zu finden, ist etwas anderes, als dauerhaft auf ihn eingestellt zu bleiben; die direkte Absorption liefert das Signal schnell genug für Letzteres.

Beide Gruppen entwickelten den Ansatz unabhängig voneinander. TU Wien nennt ihr Gerät eine selbststabilisierende Kernuhr (TU Wien); das chinesische Projekt wurde an der Tsinghua University geleitet (Tsinghua). Zwei unabhängige Umsetzungen desselben Prinzips stützen den Befund stärker als ein einzelner Aufbau.

Stabil im Takt, noch nicht genau genug

Uhrenforscher unterscheiden zwei Eigenschaften. Stabilität beschreibt, wie gleichmäßig eine Uhr von Moment zu Moment tickt; in diesem Punkt bleiben beide Prototypen noch hinter etablierten optischen Atomuhren zurück. Genauigkeit meint dagegen, ob eine Uhr dauerhaft mit der falschen Frequenz läuft – wie eine Uhr, die gleichmäßig tickt, aber fünf Minuten vorgeht.

Hier werden die Kristalle zum Problem. Jeder Thoriumkern sitzt in einer eigenen Umgebung im Kristall; lokale Gitterverzerrungen oder Defekte können seine charakteristische Frequenz verschieben, sodass der Messwert davon abhängt, an welcher Stelle der Laser den Kristall durchquert. Das Team in Peking fand einen ermutigenden Hinweis: Zwei separat gezüchtete Kristalle lieferten sehr ähnliche Frequenzen (Chinese Nature paper). Eine vollständige Bilanz aller Effekte, die die Frequenz verschieben könnten, steht bei beiden Teams noch aus.

Auf der Suche nach Dunkler Materie

Auch als noch unvollkommene Uhr ist das Gerät für die Physik bereits nützlich. Manche Theorien gehen davon aus, Dunkle Materie – die unsichtbare Materie, die den größten Teil der Masse des Universums ausmacht – könne die Kräfte, die diese Frequenzen bestimmen, leicht und rhythmisch beeinflussen. Eine Kernuhr und eine Elektronenuhr würden darauf unterschiedlich reagieren; das Verhältnis ihrer Takte müsste dann regelmäßig schwanken.

Wien betrieb seine Thoriumuhr parallel zu einer herkömmlichen Atomuhr und suchte genau nach diesem Rhythmus. Ein entsprechendes Signal fand die Gruppe nicht; die Autoren schreiben, der Befund schließe einige konkrete Modelle für Dunkle Materie aus, nicht aber Dunkle Materie insgesamt (Vienna Nature paper).

Die offizielle Definition der Sekunde beruht weiterhin auf Cäsiumatomen (BIPM); diese Prototypen werden sie absehbar nicht ändern. Gezeigt haben sie, dass ein Atomkern eine laufende Uhr steuern kann. Verlässliche Zeitmessung hängt nun davon ab, ob Kristalle das Thorium halten können, ohne seine Frequenz zu verschieben. Die nächste Aufgabe liegt damit bei den Kristallzüchtern in Wien und Peking.