Physiker machen einen großen Schritt auf dem Weg zur Herstellung einer Atomuhr

Die Zeit für Atomuhren ist nahe.

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler einen Tischlaser verwendet, um einen Atomkern in einen höheren Energiezustand zu versetzen. Es ist eine Leistung, die Wissenschaftler auf den Weg bringt, die erste Kernuhr zu schaffen, die die Zeit auf der Grundlage des Innenlebens von Atomkernen anzeigt.

Der Fortschritt sei ein „bemerkenswerter Durchbruch“, sagt Olga Kocharovskaya, eine Physikerin an der Texas A&M University in College Station, die nicht an der Forschung beteiligt war.

Im Vergleich zu Atomuhren – den derzeit präzisesten Zeitmessern der Wissenschaftler – könnten Atomuhren einfacher und tragbarer sein. Und sie könnten genutzt werden, um grundlegende physikalische Theorien auf neue Weise zu testen. Mit dem neuen Ergebnis scheint eine nukleare Uhr erreichbarer denn je: „Wir wissen jetzt, dass sie konzeptionell machbar ist“, sagt der Physiker Peter Thirolf von der Ludwig-Maximilians-Universität München, der nicht an der Studie beteiligt war.

Bewährte Atomuhren basieren auf der Physik der Elektronen, die Atome umgeben. Innerhalb dieser Atome bewohnen Elektronen einzelne Energieniveaus. Um ein Elektron dazu zu bringen, auf ein bestimmtes höheres Energieniveau zu springen, muss ihm von einem Laser genau die richtige Energiemenge zugeführt werden. Diese Energie entspricht einer bestimmten Frequenz des Laserlichts. Um diese Frequenz zu ermitteln, richten Wissenschaftler einen Laser auf eine Ansammlung von Atomen und scannen die Frequenz des Lasers, bis die Elektronen den Sprung schaffen (SN: 05.10.17). Diese Frequenz wird dann wie ein atomares Metronom verwendet, um den Takt anzugeben.

Kernuhren würden die Übergänge von Atomkernen anstelle von Elektronen nutzen, um die Zeit anzuzeigen. Während die Energieniveaus der meisten Atomkerne zu weit voneinander entfernt sind, als dass ein Laser den Sprung auslösen könnte, ist ein spezieller Kern ein Ausreißer. Eine Variante des Elements Thorium, Thorium-229, weist einen ungewöhnlich kleinen Energiesprung auf, der für Laser zugänglich ist.

Bis vor Kurzem kannten die Wissenschaftler die Größe dieses Sprungs nicht genau. Im Jahr 2023 haben Wissenschaftler es jedoch präziser gemessen als je zuvor (SN: 01.06.23).

Das ermöglichte den Physikern den nächsten Schritt. Forscher verwendeten einen Laser, um Thorium-229-Kerne auf ein höheres Energieniveau zu bringen, und beobachteten, wie das beim Sprung emittierte Licht wieder nach unten zurückkehrte. Das Experiment hat die Energie des Übergangs weiter bestimmt: Sie beträgt 8,35574 Elektronenvolt, berichtet das Team in einem angenommenen Artikel Briefe zur körperlichen Untersuchung. Diese Zahl stimmt mit der Messung von 2023 überein, ist aber etwa 800-mal so genau. Um eine Atomuhr herzustellen, müssen Wissenschaftler die Präzision dieser Messung noch weiter erhöhen.

Als die Forscher das Signal sahen, „waren wir natürlich sehr aufgeregt“, sagt der Physiker Ekkehard Peik vom Deutschen Metrologieinstitut in Braunschweig. „Es war eine lange Suche.“ Peik schlug erstmals 2003 in einer von ihm mitverfassten Arbeit die Idee vor, Atomuhren mit Thorium-229 herzustellen.

Im Experiment wurde das Thorium-229 in einen Kristall aus Calciumfluorid eingebettet. Dies unterscheidet sie von Atomuhren, bei denen sich Atome in einer Vakuumkammer befinden. Die Möglichkeit, zukünftige Kernuhren aus festen Materialien herzustellen, ist ein Teil ihres Reizes: „Möglicherweise könnte man sich vorstellen, ein viel einfacheres, tragbares System zu bauen und diese Uhr aus dem Labor zu nehmen“, sagt der Physiker Jun Ye von JILA in Boulder, Colorado. , der nicht an der neuen Forschung beteiligt war.

Und da Kernuhren auf einer anderen Physik basieren als Atomuhren, könnte ein Vergleich der beiden Arten von Zeitmessern neue Studien zur Grundlagenphysik ermöglichen (SN: 04.06.21). Wissenschaftler könnten beispielsweise nach Variationen in den Grundkonstanten der Natur suchen, einer Reihe von Zahlen, die den Kosmos bestimmen und von denen normalerweise angenommen wird, dass sie unveränderlich sind (SN: 02.11.16). Kernuhren könnten auch neue Suchen nach Dunkler Materie ermöglichen, unidentifizierten massiven Teilchen, die das Universum durchdringen.

Es gibt noch viel zu tun, um eine Atomuhr zu bauen. Und selbst wenn Wissenschaftler sie erst einmal gebaut haben, Ye sagt: „Es wird Jahre, wenn nicht Jahrzehnte dauern, bis wir mit den Atomuhren Schritt halten.“ Aber „allein die Möglichkeit, den Übergang zu sehen, öffnet die Tür.“