TU Wien misst Zeit künftig unvorstellbar genau
Wien/Braunschweig – An der Technischen Universität Wien (TU Wien) tickt der weltweit erste Prototyp einer neuen Zeitmessungs-Technologie, die wichtige Rekorde aufstellen soll. Ihre Atomkernuhr ist die erste, die selbst noch die kleinsten Fehler selbstständig behebt. Die Technik hat das Potenzial, bisherige Atomuhren an Präzision noch einmal deutlich zu übertreffen. Es ist ein wichtiger Schritt zu einer neuartigen Hochleistungs-Metrologie, mit der sich eine Reihe physikalischer Grössen mit bisher unerreichbarer Präzision messen lässt, beispielsweise Ortsbestimmungen mit der Satellitennavigation, die umso präziser ist, je genauer die Atomuhren «laufen».
«Wundermittel» Thorium
Atomkernuhren nutzen eine besondere Eigenschaft der Kerne von Thorium. Diese haben zwei verschiedene Energiezustände, die ganz knapp nebeneinander liegen. Dadurch ist es möglich, den Atomkern gezielt mithilfe eines Lasers von einem Zustand in den anderen «umzuschalten». Bei anderen Atomkernen sind die Energieabstände viel grösser, sie reagieren daher nicht auf Laserlicht.
TU-Wien-Forscher Thorsten Schumm hat gemeinsam mit Ekkehard Peik, Leiter des Fachbereichs «Zeit und Frequenz» an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, bereits 2024 nachgewiesen, dass eine solche Uhr prinzipiell machbar ist. Jetzt haben die Physiker den letzten Schritt geschafft: Ihre Uhr stabilisiert sich selbst. Damit ist die Voraussetzung dafür geschaffen, dass die Präzision herkömmlicher Atomuhren noch einmalübertroffen wird.
Herzstück ist ein Kristall
Das Herzstück der Atomkernuhr ist ein Kristall mit Thorium-Atomen, der an der TU Wien hergestellt wurde. Dieser Kristall wird mit einem Laser angestrahlt. «Die Schwingung dieses Laserlichts kann man verwenden, um Zeitmessungen durchzuführen, aber die Laserfrequenz kann sich immer wieder ein kleines bisschen ändern, zum Beispiel durch Temperaturschwankungen. Für hochpräzise Messungen braucht es daher einen Mechanismus, der die Laserfrequenz exakt stabil hält.»
Bei gewöhnlichen Atomuhren verwendet werden dafür Atome und die Energiezustände ihrer Elektronen genutzt. Diese Aufgabe übernehmen jetzt Thorium-Kerne. Diese absorbieren Laserlicht, aber nur dann, wenn die Laserfrequenz exakt stimmt. Weicht sie vom Optimalwert auch nur ein kleines bisschen ab, geht die Absorption messbar zurück. In diesem Fall wird die Laserfrequenz automatisch nachjustiert, die Uhr «tickt» weiterhin präzise, so Schumm weiter.
Verbesserung in Aussicht
«Wenn man nicht Atome, sondern Atomkerne verwendet, lässt sich im Prinzip eine viel höhere Präzision erreichen», ergänzt Schumm. Denn Atomkerne seien über zehntausendmal kleiner als Atome, reagierten viel schwächer auf äussere Störungen und seien dadurch deutlich zuverlässigere Taktgeber. Die Präzision der neuartigen Atomkernuhr wurde über einen Tag hinweg untersucht und liegt bei ungefähr zehn hoch minus 15 – ein Fehler von einer Sekunde pro 30 Mio. Jahren.
«Das ist noch nicht auf dem Niveau der weltbesten optischen Atomuhren, für einen ersten Prototyp aber ein fantastisches Ergebnis», resümiert Schumm. Nun soll die Präzision noch durch mehrere Massnahmen drastisch verbessert werden: Etwa durch stärkere Laser und bessere Thorium-Kristalle. Die Entwickler stellen ihre Uhr auf dem Online-Portal «ArXiv» vor. (pte/mc/ps)
