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Erste selbststabilisierende Atomkernuhr läuft über 24 Stunden
In Wien hat eine Atomkernuhr ihren Takt erstmals über einen ganzen Tag selbst geregelt. Ein Laser richtet seine Frequenz dabei nach dem Energieübergang von Thorium-229-Kernen und muss nicht fortlaufend von außen nachgestellt werden. Damit ist eine entscheidende Hürde überwunden, auch wenn der Prototyp noch hinter den besten optischen Atomuhren zurückbleibt.
Wien (Österreich). Die genauesten heutigen Uhren verwenden Energieübergänge von Elektronen in Atomen oder Ionen, um die Frequenz eines Lasers zu kontrollieren. Physiker arbeiten jedoch an einer Alternative, bei der nicht die Atomhülle, sondern der Atomkern den Takt vorgibt. Weil dieser gegenüber äußeren Störungen weniger empfindlich ist, könnten solche Kernuhren langfristig noch stabiler und genauer werden.
Als besonders geeignet gilt das radioaktive Isotop Thorium-229. Seine Atomkerne besitzen zwei ungewöhnlich eng benachbarte Energiezustände, zwischen denen sie durch ultraviolettes Laserlicht wechseln können. Frühere Versuche haben diesen Übergang zwar nachgewiesen, doch ein dauerhaft selbstgeregelter Uhrenbetrieb stand noch aus.
Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) um Dr. Ekkehard Peik haben nun gemeinsam mit Kollegen eine solche Atomkernuhr verwirklicht. Die Anlage in Wien nutzt nicht mehr ausschließlich eine externe optische Referenz, sondern stellt ihre Laserfrequenz mithilfe der Thoriumkerne selbst nach. Der wissenschaftliche Fortschritt liegt vor allem in dieser geschlossenen Regelung.
Das Herzstück der Uhr ist ein millimetergroßer Kalziumfluorid-Kristall, der Thorium-229 enthält. Ein kontinuierlicher Laser bestrahlt die Kerne mit ultraviolettem Licht von etwa 148 Nanometern Wellenlänge. Der Atomkern nimmt diese Strahlung nur dann besonders gut auf, wenn ihre Frequenz zur Energiedifferenz zwischen seinen beiden Zuständen passt.
„Er weist zwei sehr eng benachbarte Energiezustände auf, sodass ein Laser ausreicht, um den Zustand des Atomkerns zu verändern“, erklärt Dr. Ekkehard Peik.
Ein Detektor misst fortlaufend, wie viel Laserlicht die Thoriumkerne im Kristall absorbieren. Entfernt sich die Laserfrequenz vom passenden Wert, verändert sich das Messsignal. Eine elektronische Rückkopplung gleicht diese Abweichung automatisch aus und bindet die Frequenz des Lasers auf längere Sicht an die Resonanz der Atomkerne.
„Was man eigentlich haben möchte, ist eine selbststabilisierende Atomkernuhr“, erklärt Prof. Thorsten Schumm von der Technischen Universität Wien (TU Wien).
Entscheidend ist der Wechsel von einer langsamen Fluoreszenzmessung zur direkten Messung der Lichtabsorption. Bei früheren Versuchen musste der Laser immer wieder abgeschaltet werden, um das verzögert ausgesandte Licht der angeregten Kerne zu erfassen. Das neue Verfahren liefert dagegen ein rasch verfügbares Signal, mit dem sich die Frequenz während des Betriebs nachregeln lässt.
Im Experiment blieb die Kernuhr über mehr als 24 Stunden ohne manuellen Eingriff in Betrieb. Um ihr Frequenzsignal zu überprüfen, verglich das Team es über eine Glasfaserverbindung mit einer optischen Ytterbium-Ionenuhr des österreichischen Bundesamts für Eich- und Vermessungswesen (BEV). Damit ließ sich erstmals die Stabilität einer selbstgeregelten Thorium-Kernuhr im laufenden Betrieb untersuchen.