Wiens Kernuhr läuft, schwankt aber noch

Die präzisesten optischen Atomuhren orientieren sich an Übergängen in der Elektronenhülle. Nun berichteten zwei Teams am 7. Oktober 2026 in Nature, sie hätten Uhren entwickelt, deren Laser während des Betriebs auf einen Übergang im Atomkern abgestimmt bleibt (Studie aus Wien, Studie aus Peking). Der Wiener Prototyp lief mehr als 24 Stunden ohne Eingriff (Volltext der Wiener Studie, Pro-Physik). Beide Uhren sind noch deutlich unruhiger als die besten Atomuhren. Sie bieten jedoch eine neue Referenz, mit der sich prüfen lässt, ob sich die Naturkonstanten im Lauf der Zeit verändern.

Man kann sich das wie eine Sängerin vorstellen, die einen Ton an einer Stimmgabel ausrichtet. Weicht ihre Stimme ab, hört sie den Unterschied und korrigiert ihn. Optische Atomuhren nutzen ein ähnliches Prinzip: Ein Laser gibt den Takt vor, der Übergang zwischen zwei Energiezuständen der Elektronen in einem Atom dient als Stimmgabel.

Beim Thorium-229 sitzt die Stimmgabel dagegen im Atomkern. Sein Kern lässt sich mit ultraviolettem Licht nahe 148 Nanometern zwischen zwei Zuständen anregen (Mitteilung der PTB). Beide Teams betteten Thorium in Kalziumfluoridkristalle ein, ein durchsichtiges Material, das die Atome an ihrem Platz hält. Trifft der Laser genau die passende Frequenz, absorbieren die Atomkerne einen kleinen Teil des durch den Kristall laufenden Lichts.

Dieses schwache Abdunkeln übernimmt die Funktion des Ohrs der Uhr. Elektronik verstimmt den Laser geringfügig in beide Richtungen; ein Detektor misst, auf welcher Seite das Licht stärker gedämpft wird. Daraus erkennt die Steuerung, in welche Richtung sie den Laser zur Sollfrequenz zurückführen muss, wie die Sängerin hört, ob sie zu hoch oder zu tief liegt.

2024 hatten Forschende gezeigt, dass sich dieser Kernübergang überhaupt mit einem Laser anregen lässt (Studie zur Anregung von 2024). Der nun erreichte nächste Schritt, über den wir am Mittwoch berichtet haben (To Brief), ist ein ununterbrochen arbeitender Regelkreis. Damit hält der Atomkern den Laser so lange auf der richtigen Frequenz, wie die Uhr läuft.

Zwei Labore, zwei Wege zur Stabilisierung des Lasers

In Wien sind die Aufgaben aufgeteilt. Ein optischer Resonator aus zwei einander gegenüberstehenden Spiegeln schließt das Licht ein und glättet kurzfristige Schwankungen des Lasers. Das Thoriumsignal korrigiert anschließend die langsame Drift, die der Resonator allein nicht auffängt (TU Wien). Die TU Wien züchtete den Kristall; das deutsche Metrologieinstitut PTB baute den Ultraviolettlaser gemeinsam mit dem Berliner Max Born Institute (Forschungsgruppe der PTB).

Das von der Tsinghua University geleitete Team aus Peking meldete einen niedrigeren Instabilitätskoeffizienten als das Wiener Team. Die Kennzahl beschreibt, wie stark die Taktrate einer Uhr über kurze Mittelungszeiträume schwankt; je kleiner sie ist, desto stabiler läuft die Uhr. Für Peking lag sie bei 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), für Wien bei 3 × 10⁻¹² (Volltext der Wiener Studie).

Zudem verglich das Pekinger Team zwei unabhängig voneinander gezüchtete Kristalle. Ihre Frequenzen wichen relativ nur um 2,8 × 10⁻¹³ voneinander ab (Studie aus Peking). Zwei Stimmgabeln aus verschiedenen Werkstätten gaben damit fast denselben Ton an. Das ist ein erster Hinweis darauf, dass sich die Kernreferenz reproduzieren lässt.

Noch weit hinter den Atomuhren

Verglichen mit den genauesten Uhren auf Elektronenbasis schwanken beide Prototypen deutlich stärker. Eine Aluminium-Ionen-Uhr des US-Metrologieinstituts NIST ist so stabil, dass die Instabilität des Wiener Prototyps etwa 8.600-mal höher und die des Pekinger rund 1.400-mal höher liegt (NIST, NIST-Studie zur Aluminium-Ionenuhr).

In Wien zeigte sich zudem ein hartnäckiges Materialproblem. Wenn der Laserstrahl an einer anderen Stelle durch den Kristall lief, änderte sich die gemessene Frequenz um bis zu rund 1,7 Kilohertz – mehr, als sich durch Messrauschen erklären lässt. Vermutlich spielen Spannungen und Fehlstellen im Kristall eine Rolle (Volltext der Wiener Studie). Die Forschenden müssen noch prüfen, ob besser gezüchtete Kristalle und eine genauere Kontrolle des Strahlwegs diese Verschiebung verringern.

Warum also an einer Uhr arbeiten, die gegenüber den besten Atomuhren so weit zurückliegt? Der Vergleich zweier Uhren, die auf unterschiedlichen physikalischen Übergängen beruhen, kann Veränderungen der Naturkonstanten sichtbar machen. Das Wiener Team ließ seine Kernuhr parallel zu einer Ytterbium-Ionen-Uhr beim österreichischen Metrologieamt BEV laufen. Diese zweite Uhr diente allein als Vergleichsmaßstab und war nicht in den Regelkreis eingebunden. Die Forschenden argumentieren, der Kernübergang reagiere auf Veränderungen der Naturkonstanten anders als Übergänge in Elektronenuhren (Studie aus Wien).

Einige Modelle der Dunklen Materie sagen solche Veränderungen voraus, die sich als langsames periodisches Schwanken zeigen würden. Wien suchte im Uhrenvergleich danach, doch kein Signal überschritt die Nachweisgrenze. Das Ergebnis setzt Obergrenzen für die Stärke möglicher Effekte; entdeckt hat das Team sie nicht.

Die Sekunde ist weiterhin über Cäsiumatome definiert; die Prototypen ändern daran nichts (BIPM). Wien hat gezeigt, dass ein Atomkern einen Laser einen ganzen Tag lang auf Frequenz halten kann; Peking, dass zwei Kristalle nahezu übereinstimmende Frequenzen liefern. Ob daraus ein präziseres Instrument zur Prüfung physikalischer Grundgesetze wird, hängt nun von Kristallzüchtern und Lasertechnikern ab: Sie müssen dafür sorgen, dass die Kernfrequenz bei verschiedenen Proben denselben Wert hat.