Wiener Forschende bauen Atomkernuhr: So tickt die neue Präzisionsuhr

Eine Sekunde Abweichung in rund 30 Millionen Jahren: Auf diese Größenordnung kommt die neue Atomkernuhr der TU Wien rechnerisch. Damit gehört sie zwar noch nicht zu den genauesten Uhren der Welt, das Potenzial dazu ist aber vorhanden.

Hinter dem Prototyp steht eine langjährige Zusammenarbeit zwischen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und der TU Wien. Die Idee zur Thorium-Kernuhr stammt vom PTB-Physiker Ekkehard Peik, der bereits 2003 gemeinsam mit Christian Tamm das Konzept vorschlug. Während die PTB das benötigte Lasersystem entwickelte, stellte das Team um Thorsten Schumm in Wien die speziellen Thoriumkristalle her.

Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachjournal Nature veröffentlicht.

Was ist Thorium und warum nutzen die Forschenden es?

Das Herzstück der neuen Uhr ist Thorium-229. Dabei handelt es sich um ein radioaktives Isotop des chemischen Elements Thorium. Seine Atomkerne besitzen eine ungewöhnliche Eigenschaft: Zwei ihrer Energiezustände liegen besonders dicht beieinander.

Normalerweise benötigt man sehr energiereiche Strahlung, um den Zustand eines Atomkerns zu verändern. Bei Thorium-229 genügt dagegen ultraviolettes Laserlicht. Trifft der Laser die passende Frequenz, kann der Atomkern Energie aufnehmen und in einen höheren Energiezustand wechseln.

Bei bisherigen Atomuhren werden nicht die Atomkerne, sondern die Elektronen in der Atomhülle angeregt.

„Beim Thorium ist die Schwingung sehr, sehr, sehr, sehr viel schneller als bei optischen Uhren, das heißt, die Zeit wird in kleinere Segmente zerhackt“, sagt Schumm.

Der Vorteil der Wiener Uhr: Atomkerne sind mehr als 10.000-mal kleiner als ganze Atome und deutlich weniger empfindlich gegenüber vielen äußeren Störungen. Das macht sie theoretisch zu besonders zuverlässigen Taktgebern.

Wie funktioniert die neue Atomkernuhr?        

Das Grundprinzip ähnelt dem herkömmlicher Atomuhren: Sie nutzen eine genau festgelegte Frequenz, bei der Atome Energie aufnehmen. Bei klassischen Atomuhren geschieht das beispielsweise mit Mikrowellen, bei optischen Atomuhren mit Laserlicht. In beiden Fällen werden Elektronen angeregt. Die Uhr aus Wien nutzt dagegen einen Übergang im Atomkern selbst.

Damit aus den Thoriumkernen eine Uhr wird, muss die Frequenz des Lasers möglichst genau mit der Übergangsfrequenz im Atomkern übereinstimmen. Doch die Laserfrequenz kann sich durch äußere Einflüsse geringfügig verändern.

Der Laser wird deshalb zunächst mithilfe eines optischen Resonators stabilisiert. Da dessen Frequenz langfristig driften kann, nutzen die Forschenden zusätzlich die Resonanz der Thoriumkerne. Sie messen, wie stark die Kerne das ultraviolette Laserlicht absorbieren, und erzeugen daraus ein Korrektursignal. Damit wird die Laserfrequenz automatisch nachgeregelt.

Vereinfacht gesagt: Der Kristall gibt den Takt vor, der Laser folgt ihm. Seine Schwingungen lassen sich elektronisch erfassen und als Grundlage für die Zeitmessung nutzen.

Auf diese Weise orientiert sich der Laser dauerhaft an der natürlichen Übergangsfrequenz des Atomkerns. Anders als bei früheren Versuchen benötigt das System dafür keine zusätzliche Atomuhr zur Stabilisierung. Ein optischer Resonator und die dazugehörige Lasertechnik bleiben allerdings weiterhin notwendig.

Um ihre Präzision zu überprüfen, verglichen die Forschenden die neue Atomkernuhr mit einer optischen Uhr des österreichischen Metrologieinstituts BEV–PTP.

Wie genau misst die Atomkernuhr aus Wien?

Bei den Messungen erreichte die neue Atomkernuhr eine relative Genauigkeit in der Größenordnung von 10⁻¹⁵. Anschaulich entspricht das einer Abweichung von ungefähr einer Sekunde in 30 Millionen Jahren.

Das ist beachtlich, reicht für einen Weltrekord aber noch nicht aus. Die besten optischen Atomuhren sind bereits deutlich präziser. Bereits 2024 berichteten die VDI nachrichten über eine chinesische Atomuhr, deren rechnerische Abweichung bei nur einer Sekunde in sieben Milliarden Jahren liegt.

Die Forschenden sehen bei der neuen Atomkernuhr allerdings noch erhebliches Verbesserungspotenzial. Insbesondere leistungsfähigere Laser und weiter optimierte Thoriumkristalle sollen die Messgenauigkeit erhöhen.

Ein neuer Laser macht den Unterschied

An der Entwicklung einer Atomkernuhr wird seit Jahrzehnten gearbeitet. Bereits 2003 schlug der PTB-Physiker Ekkehard Peik vor, Thorium-229 für eine solche Uhr zu verwenden.

Im April 2024 gelang den Forschungsteams aus Wien und Braunschweig erstmals der Nachweis, dass sich Thoriumkerne gezielt mit Laserlicht anregen lassen. Wenige Monate später verglich ein Team am JILA in Boulder gemeinsam mit der TU Wien die Kernresonanz erstmals mit einer optischen Atomuhr. Für einen eigenständig stabilisierten Uhrenbetrieb reichte die Technik aber noch nicht aus.

Das ursprüngliche Lasersystem benötigte mehrere Quadratmeter Platz auf optischen Tischen und arbeitete mit kurzen Lichtpulsen. Außerdem ließ sich die Reaktion der Atomkerne nur mit erheblicher Verzögerung messen.

Die PTB entwickelte deshalb gemeinsam mit dem Max-Born-Institut in Berlin einen kompakteren Festkörperlaser, der kontinuierlich ultraviolettes Licht aussendet. Im Dezember 2025 wurde das neue System vorgestellt.

Mit diesem Laser können die Forschenden die Lichtabsorption der Thoriumkerne direkt messen. Zuvor mussten sie den Laser nach der Anregung abschalten und das schwache Nachleuchten der Kerne beobachten. Das dauerte mehrere Minuten. Die neue Methode liefert dagegen unmittelbar ein Messsignal, mit dem sich die Laserfrequenz laufend korrigieren lässt.

Für die entscheidenden Versuche wurde das an der PTB aufgebaute Lasersystem mit den in Wien hergestellten Kristallen zusammengebracht.

Wofür braucht man eine noch genauere Uhr?

Präzise Zeitmessung spielt beispielsweise bei Satellitennavigation, Telekommunikation und der Synchronisierung großer technischer Systeme eine wichtige Rolle. Schon kleine Zeitfehler können sich bei der Positionsbestimmung bemerkbar machen.

Ob die neue Atomkernuhr künftig in solchen Bereichen eingesetzt werden kann, ist allerdings noch offen. Zunächst ist die Technik vor allem für die Grundlagenphysik interessant. Mit ihr könnten Forschende untersuchen, ob physikalische Naturkonstanten tatsächlich unveränderlich sind.

Auch bei der Suche nach Dunkler Materie könnte die Atomkernuhr helfen. Bestimmte theoretische Modelle gehen davon aus, dass ultraleichte Dunkle Materie die Frequenzen atomarer oder nuklearer Übergänge geringfügig verändern könnte. Solche Veränderungen ließen sich möglicherweise durch den Vergleich hochpräziser Uhren nachweisen.

Das Forschungsteam hat die neue Atomkernuhr bereits für entsprechende Untersuchungen eingesetzt. Die Forschenden suchten nach möglichen periodischen Schwankungen und langsamen Veränderungen der Kernübergangsenergie über Zeiträume zwischen 20 Sekunden und einem Tag. Einen Nachweis für Dunkle Materie fanden sie nicht. Die Messungen konnten aber bestimmte theoretische Modelle weiter einschränken.

Wie geht es mit der Atomkernuhr weiter?

Bis die Atomkernuhr aus Wien mit den besten optischen Atomuhren mithalten kann, müssen die Forschenden noch einige technische Probleme lösen. Vor allem die Leistung des Lasers und die Qualität der Thoriumkristalle sollen verbessert werden.

Eine Herausforderung liegt im Kristall selbst. Je nachdem, welchen Bereich des Kristalls der Laser durchstrahlt, können sich die gemessenen Resonanzfrequenzen unterscheiden. Das erschwert es, bei wiederholten Messungen exakt dieselbe Frequenz zu erhalten.

Neben einer höheren Genauigkeit verspricht die Atomkernuhr noch einen weiteren Vorteil: Sie könnte deutlich kompakter und robuster werden als heutige optische Atomuhren. Da die Thoriumkerne fest im Kristallgitter sitzen, müssen sie nicht wie einzelne Atome oder Ionen mit aufwendiger Technik festgehalten werden. Zudem sind die Atomkerne gegenüber vielen äußeren Einflüssen weniger empfindlich.

Während hochpräzise optische Atomuhren bislang auf aufwendige Laboraufbauten angewiesen sind, könnte die neue Technik eines Tages auch außerhalb solcher Einrichtungen eingesetzt werden. Entwickler Thorsten Schumm hält es sogar für möglich, die Atomkernuhr künftig auf die Größe eines Schuhkartons oder einer Streichholzschachtel zu verkleinern.

Bis dahin ist es allerdings noch ein weiter Weg. Der Prototyp aus Wien hat zunächst gezeigt, dass sich eine Atomkernuhr über längere Zeit selbstständig stabilisieren lässt. Ob sie irgendwann witklich genauer, kleiner und robuster wird als heutige optische Atomuhren, müssen weitere Versuche zeigen.