Eine auf Thorium-229 basierende Kernuhr ist einen Schritt näher gekommen, nachdem Forscher in Deutschland und Österreich gezeigt haben, dass sie Kerne des Isotops in einen tief liegenden metastabilen Zustand versetzen können.

Die außergewöhnlich niedrige Anregungsenergie von 8 eV entspricht Licht im Vakuum-Ultraviolett, das von einem Laser erzeugt werden kann. Dadurch könnte der Übergang zur Erstellung einer genauen Uhr genutzt werden. Eine solche Kernuhr wäre im Prinzip stabiler als bestehende Atomuhren, da sie viel weniger anfällig für Umgebungsgeräusche wäre. Eine Atomuhr könnte auch praktischer sein, da sie im Gegensatz zu einer Atomuhr ein vollständig festkörperbasiertes Gerät sein könnte.

Diese hohe Genauigkeit und Stabilität erschwert jedoch die Beobachtung und Anregung dieses Übergangs, da das beteiligte Licht eine sehr schmale Bandbreite hat und schwer zu finden sein kann. Tatsächlich haben Forscher am CERN dies erst letztes Jahr geschafft erste direkte Messung von Photonen aus dem Übergang, während die Existenz des Übergangs wurde 2016 bestätigt.

Kostengünstigerer Laser

Thorium-229 ist nicht der einzige Kern, der für die Verwendung in einer Kernuhr erforscht wird. Arbeite daran Scandium-45 ist weiter fortgeschritten, aber dieser Kern hat eine Übergangsenergie von 12.4 keV. Das bedeutet, dass es mit einem Röntgenlaser gekoppelt werden müsste, um eine Uhr zu erzeugen – und solche Laser sind groß und teuer.

Die neue Forschung wurde in Zusammenarbeit von Physikern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, Deutschland, und der Technischen Universität Wien in Österreich durchgeführt. Eines der Teammitglieder ist Ekkehard Peik, der vor zwanzig Jahren die Idee einer Atomuhr hatte.

Kern- und Atomuhren funktionieren weitgehend auf die gleiche Weise. Der interessierende Übergang wird durch einen Laser (oder Maser) angeregt und das emittierte Licht wird an einen Rückkopplungskontrollmechanismus gesendet, der die Frequenz des Lasers an die Frequenz des Übergangs anpasst. Die äußerst stabile Frequenz des Laserlichts ist das Ausgangssignal der Uhr.

Die ersten Uhren (und der aktuelle internationale Zeitstandard) verwendeten Mikrowellen und Cäsiumatome, während die besten heutigen Uhren (sogenannte optische Uhren) Licht und Atome wie Strontium und Ytterbium verwenden. Optische Atomuhren sind so zuverlässig, dass sie selbst nach Milliarden von Jahren nur um wenige Millisekunden ausfallen würden.

Kleiner ist besser

Ein großer Teil dieser Leistung hängt davon ab, wie die Atome eingefangen und vor elektromagnetischem Rauschen abgeschirmt werden – was eine erhebliche experimentelle Herausforderung darstellt. Im Gegensatz dazu sind die Kerne viel kleiner als Atome, was bedeutet, dass sie viel weniger Wechselwirkungen mit elektromagnetischem Rauschen haben. Anstatt in einer Falle isoliert zu werden, könnten die Uhrenkerne tatsächlich in ein festes Material eingebettet werden. Dies würde das Uhrendesign erheblich vereinfachen.

In ihrem Experiment dotierten die österreichischen und deutschen Physiker Kalziumfluoridkristalle mit Thorium-229-Kernen, die sie aus einem nuklearen Abrüstungsprogramm in den USA erhielten. Die mit Thorium dotierten Kristalle hatten einen Durchmesser von nur wenigen Millimetern. Anschließend regten sie das Thorium-229 mit einem Tischlaser in den gewünschten energiearmen Kernzustand an. Diese Anregung wurde mithilfe einer Technik namens Resonanzfluoreszenz bestätigt, bei der die Photonen erfasst werden, die emittiert werden, wenn die angeregten Kerne in den Grundzustand zurückfallen.

Kernuhren: Warum ein Experiment am CERN sie der Realität näher bringt

„Diese Forschung ist ein sehr wichtiger Schritt in der Entwicklung einer nuklearen Uhr“, sagt Piet Van Duppen von der KU Leuven in Belgien, der an Atomuhren arbeitet. „Es beweist, dass diese Entwicklung auch für Halbleiteruhren technisch möglich ist. Wir gingen davon aus, dass die Laseranregung des Kernübergangs in optischen Fallen nachweisbar wäre, aber bisher gab es Zweifel, ob dies auch in Festkörperkristallen der Fall ist.“

Mögliche Anwendungen für Kernuhren der Zukunft liegen hauptsächlich in der Erkennung winziger Zeitschwankungen, die auf neue Physik jenseits des Standardmodells hinweisen könnten. Dazu können Variationen der Grundkräfte und -konstanten gehören. Insbesondere könnten die Uhren neue physikalische Erkenntnisse enthüllen, indem sie nach Variationen in der Kernkraft suchen, die Kerne zusammenhält und letztendlich die Taktfrequenz bestimmt. Infolgedessen könnten Kernuhren Licht auf einige der großen Geheimnisse der Physik werfen, wie etwa die Natur der Dunklen Materie,

Die Uhren könnten auch zur Messung der Zeitdilatation aufgrund von Unterschieden in der Anziehungskraft der Erde verwendet werden. Dies könnte mithilfe winziger und hochmobiler Atomuhren auf Chips erfolgen, die sich leicht an verschiedene Orte bewegen lassen. Dies wäre für Geodäsie und geologische Studien sehr nützlich.

Ein Papier, das die Forschung beschreibt wurde zur Veröffentlichung angenommen Briefe zur körperlichen Untersuchung.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/