Die Vision von einer Atomkernuhr gibt es schon lange, aber die Realisierung beschäftigte Forscher über Jahrzehnte. Herausforderung war es, einen Atomkern zu finden, der sich für den Bau einer neuen Generation von hochpräzisen Uhren eignet. Jetzt gelang es zwei verschiedenen internationalen Forscherteams zeitgleich.
Mit diesen neuen Erkenntnissen ist der Weg zur Entwicklung hochpräziser Uhren bereitet. Diese werden einen wertvollen Beitrag zur Grundlagenforschung leisten. Dort ermöglichen sie die noch unerforschte dunkle Materie zu untersuchen. Auch könnte man Atomkernuhren einsetzen, um zu überprüfen, ob die Naturkonstanten tatsächlich exakt konstant sind. Darüberhinaus würde die Atomkernuhr viele Messungen präziser machen, die nur indirekt mit der Zeitmessung in Verbindung stehen: So könnten winzige Unregelmäßigkeiten im Schwerefeld der Erde vermessen werden und Objekte mittels satellitenbasierter Navigation genauer positioniert werden.
Präzisere Messungen mit Kernzuständen
Die Forschung nach der exaktesten Uhr hat bereits eine lange Tradition. So weiß man, dass es einen Taktgeber braucht, der sehr oft und äußerst präzise tickt. Ein Vorläufer der Atomkernuhr ist die Atomuhr. Deren Taktgeber sind die Elektronen in einem Atom, die auf sehr exakt definierte Weise zwischen zwei verschiedenen Zuständen hin und her wechseln können. Bei der Atomkernuhr sind es nicht die Zustände der Elektronen, sondern die Zustände des Atomkerns, die als Taktgeber genutzt werden können.
Auch die Zustände von Elektronenhüllen messen in der Atomuhr messen schon sehr genau: Man kann mit ihnen sogar die gravitationsbedingte Zeitdifferenz zwischen einem Berggipfel und dem Tal messen. Aber Kernzustände ermöglichen noch präzisere Messungen. Ein weiterer Vorteil des Atomkerns liegt darin, dass dieser besser gegen Störungen geschützt ist, wie diese bei äußeren elektromagnetischen Feldern auftauchen.
Nieder-energetischer Isomerzustand
Man vermutete schon lange, dass Thorium-Kerne geeignet für den Bau von Atomkernuhren sind. Allerdings galt es, den Kernzustand von Thorium nachzuweisen – und das war kompliziert und aufwändig. In zwei verschiedenen länderübergreifenden Forschungsgruppen konnten jetzt zeitgleich geeignete Methoden gefunden werden. Professor Thorsten Schumm vom Atominstitut der TU Wien war an beiden Experimenten beteiligt.
„In der Kernphysik hat man es meist mit sehr hohen Energien zu tun. Die Energien der Elektronen, die den Atomkern umkreisen, sind normalerweise viel niedriger, daher kann man diese Elektronen etwa mit Laserstrahlen relativ leicht manipulieren. Bei Atomkernen ist dies üblicherweise nicht möglich.“ Thorsten Schumm
Soweit die Regel. Thoriumkerne des Isotops 229 bilden allerdings eine Ausnahme. Diese beruht auf dem niedrigen Energiepegel eines Kernzustands, der Isomer genannt wird. Dieser Kernzustand liegt knapp über dem Grundzustand – also dem Zustand mit der kleinstmöglichen Energie. Dadurch ist der Energieunterschied (Übergang) zwischen dem Grundzustand und dem Isomer wesentlich geringer als in anderen Atomkernen. Nach aktuellem Wissensstand ist Thorium-229 der einzige Atomkern mit einem nieder-energetischen Isomerzustand wie diesem. Es ist eben dieser Übergang zwischen den beiden Kernzuständen in Thorium, der für den Bau einer Atomkernuhr genutzt werden kann.
Ermittlung des exakten Energiewerts
Was die Forscher bisher vom Durchbruch trennte, war die Kenntnis des exakten Energiewerts des Thorium-Isomerzustands. Eine Forschergruppe, mit Teams der Ludwig Maximilians Universität München, des Max Planck Institut (MPI) für Kernphysik Heidelberg und der TU Wien, fand nun eine Methode, diesen zu ermitteln. Schumm und Simon Stellmer vom Atominstitut der TU Wien halfen mit, das Experiment zu entwickeln. Florian Libisch und Christoph Lemell vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien führten Computersimulationen durch, die zu einer quantitativen Messung der Isomerenergie führten.
Freisetzung von Energie
Basis des Experiments waren radioaktive Urankerne des Isotops 233 aus im MPI Mainz erzeugten Quellen. Wenn diese zerfallen, entstehen elektrisch geladene Thoriumionen. Etwa zwei Prozent davon befinden sich im gesuchten, angeregten Kernzustand. Diese Thoriumionen wurden wieder elektrisch neutralisiert und durch eine dünne Graphenschicht gelenkt, aus der sich die Thoriumionen die fehlenden Elektronen holen. Danach können die neutralen Thoriumatome spontan vom angeregten Kernzustand in den tiefsten Kernzustand wechseln. Dabei wird Energie frei, und zwar in Form eines Elektrons, das fortgeschleudert wird.
Nun gilt es, die Energie dieses Elektrons zu messen. Wenn es gelingt, alle Details des komplizierten Experiments exakt zu kontrollieren und zu berechnen, kann man daraus auf die Energie des gesuchten Thorium-Kernzustandes schließen.
Bestrahlung mit Synchrotron
Die zweite Forschergruppe befindet sich in Japan und hatte einen vollkommen anderen Ansatz: Die Thoriumkerne wurden mit einem Synchrotron bestrahlt. Dieses produziert extrem intensive Röntgenstrahlen, das die Thoriumkerne mit tausendfach höherer Energie in den zweiten angeregten Kernzustand versetzt. Von diesem Zustand wechseln die Thoriumkerne dann vorwiegend in den gesuchten ersten angeregten Zustand, nahe dem Grundzustand.
Daraufhin werden die Atome aktiv in den Isomerzustand gepumpt und können dort vermessen 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.“ Thorsten Schumm.
In weiteren Messungen soll der Zustand nun noch besser vermessen werden, dann sollte der Weg für den Bau von kompakten, hochpräzisen Atomkern-Uhren bereitet sein.
Originalpublikation:
Energy of the 229Th nuclear clock transition
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