Es geht, grob gesagt, um einen Faktor 1000. Heutige Atomuhren, die auf Cäsium-Fontänen-Experimenten beruhen, erreichen eine Genauigkeit von 10-16, mit der auch Dienste wie die GPS-Systeme in ihrer Genauigkeit begrenzt sind. Was, wenn es um den Faktor 1000 besser ginge?
Geht. Daran arbeitet Ekkehard Peik, der Chef des Uhrenlabors der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, seit Jahrzehnten. Thorium-Kernuhr (nicht Atomuhr!) heißt diese extrem genaue Zukunftsuhr. Jetzt aber, so die PTB, gelang ein nächster wichtiger Schritt: Um die Kernuhr im Labor zuverlässig ans Laufen zu bekommen, braucht es sehr spezielle Laser. Die haben die Forscher jetzt entwickelt. Der Weg sei „frei für die Thorium-Kernuhr“, so die PTB in einer Mitteilung.
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Blick ins Jahr 2023
Das entscheidende Experiment liegt jetzt etwa zwei Jahre zurück: Ende 2023 gelang es dem PTB-Team um Peik als weltweit erster Gruppe, den Kern eines Atoms, eines Thorium-229-Atoms, mit Laserpulsen anzuregen. Damit wurde ein neuer Atomuhr-Typ möglich: eine Kernuhr, noch genauer als andere Atomuhren. Und es entstand ein neues Gebiet der Physik: die laserbasierte Kernphysik, die neue Erkenntnisse über unser Universum verspricht.
Dumm nur: Mit gepulsten Lasern lässt sich kaum eine stabile Uhr betreiben. Dass das Peik-Team gepulste Laser für seine ersten Experimente genommen hat, hat seinen Grund. Die benötigten 148 nm (eine UV-Wellenlänge), lässt sich relativ gut als gepulste Laserstahlung erzeugen. Nicht aber eine sogenannte kontinuierliche Strahlung. Dazu braucht es schlicht einen Laser, den es bisher nicht gab.
Jetzt „konnte das Team ein neues Lasersystem für die Kernuhr maßschneidern“, so die PTB. „Es ist weltweit das erste System, das die benötigte UV-Wellenlänge von 148 nm kontinuierlich emittiert und dabei ohne die sonst üblichen Gas-Komponenten auskommt. Beides macht das System besonders stabil und kompakt – Voraussetzungen für einen stabilen, dauerhaften Uhrenbetrieb.“
Die Idee der optischen Kernuhr
Trivial ist das nicht. Dass man mit Methoden der Laserphysik den Kern eines Atoms anregen könne, galt lange als unmöglich. Denn ein Laser hat typischerweise zwar genügend Energie, um die Elektronen eines Atoms anzuregen. Das ist die Basis für eine optische Atomuhr. Aber einen Atomkern anzuregen? Da braucht es normalerweise etwa die 1000-fache Energie, weil die Teilchen im Kern viel fester gebunden sind.
Peik selbst hatte bereits 2003 die Idee zu einer optischen Kernuhr. Denn er sah eine realistische Chance beim Isotop Thorium-229. Dessen Energieniveaus im Kern liegen nämlich so eng beieinander, dass die vergleichsweise schwache Strahlung eines UV-Lasers ausreichen könnte. Nach vielen teils ergebnislosen Experimenten wurde die Idee Mitte der 2010er-Jahre konkreter. Es dauerte dann mehr als 20 Jahre, bis es an der PTB zum ersten Mal gelang, die exakte Frequenz für die Anregung eines Thorium-Übergangs zu identifizieren.
Der Weg zur Thorium-Kernuhr ist ein Weg vieler wissenschaftlicher Pioniertaten
Dafür brauchte es gleich zwei wissenschaftliche Weltpremieren: erstens die Entwicklung eines speziellen, mit Thorium angereicherten Kristalls, der es ermöglichte, sehr viele Thoriumkerne gleichzeitig mit einem Laser zu treffen. In der Gruppe um Thorsten Schumm an der Technischen Universität Wien gelang es, einen solchen Kristall herzustellen.
Und dann brauchte es das geeignete Lasersystem: Erstens emittiert es das Laserlicht kontinuierlich (und nicht gepulst), zweitens basiert es ausschließlich auf Festkörperbauelementen (statt auf Gaskomponenten, wie die gepulsten UV-Lasersysteme). Dies gelang dem Team mit einer Kette von drei Kristallen, die die Wellenlänge eines Infrarotlasers in drei Schritten auf 148 nm einstellen.
Das Geheimnis des stabilen UV-Lasers aus Kristallen
„Die ersten beiden Schritte beruhen auf Standardtechnik“, erklärt Peik. Aber Schritt drei war noch niemals vorher realisiert worden und erforderte eine Art detektivische Suche. Das passende Material fand sich im Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin. Dort erforschen Valentin Petrov und sein Team seit 2004 das seltene optische Material Strontiumtetraborat (SBO).
„Wir haben Mitte 2024 begonnen, nach einem geeigneten Festkörper für die Erzeugung der 148-nm-Wellenlänge des Thorium-Kernübergangs zu suchen, und hatten eine Liste von fünf eventuell möglichen Materialien, darunter SBO“, erläuterte Peik im Gespräch mit www.ingenieur.de. Wichtig sei eine sehr spezielle Kombination von Materialeigenschaften:
- Es muss überhaupt erst mal durchsichtig für die kurzwellige Strahlung sein,
- eine optische Nichtlinearität aufweisen, um die 297-nm-Wellenlänge nach 148 nm zu konvertieren (Frequenzverdoppelung)
- und dabei auch noch Bedingungen an die Brechungsindizes bei diesen Wellenlängen erfüllen (Phasenanpassung).
- Bei SBO werden die Kristalle in einer speziellen Schichtstruktur gewachsen, die dann diese gewünschte Kombination von Eigenschaften hat.
Laut Peik ist Petrovs Gruppe führend darin, die optischen Anwendungen dieses Materials zu untersuchen, hatte dies bisher aber nur mit gepulsten Lasern gemacht, wo wegen der höheren optischen Intensität in den Pulsen die Frequenzkonversion effizienter ist.
Weltweite Premiere
„Die Nutzung dieses Materials in einem kontinuierlichen VUV-Lasersystem stellt eine weltweite Premiere dar“, sagt Peik. Bis jetzt liefert das System nur eine geringe Ausgangsleistung von 1,3 nW, die jedoch ausreichend sein sollte, um damit eine Laseranregung des Thorium-229-Kerns nachzuweisen. Dies wird aktuell in einem Experiment zusammen mit der Technischen Universität Wien versucht.
Und der weitere Weg hin zu einer echten Uhr? „Noch sind beispielsweise die optischen Ytterbium-Atomuhren bei der Langzeitstabilität viel besser“, sagt Peik. „Sie können bereits für die Steuerung der internationalen Atomzeitskala eingesetzt werden, zusätzlich zu den bewährten Cäsium-Atomuhren. Aber wenn man bedenkt, wie dramatisch schnell die Fortschritte rund um die Thorium-Kernuhr jetzt sind, so ist es nicht abwegig, vielleicht in zwei bis drei Jahren hier mit einem echten Uhrenbetrieb rechnen zu können.“
Damit „meinen wir einen ‚Proof of Principle‘-Uhrenbetrieb zu demonstrieren, also über ein paar Tage eine sehr stabile Frequenz zu realisieren“, so Peik gegenüber www.ingenieur.de. „Die Zuverlässigkeit und Einsatzbereitschaft von Cäsiumuhren wird man dann noch nicht erreichen, und die Thoriumuhr wird auch noch viel teurer sein. Dafür sind wir jetzt mit der Ytterbiumionen-Uhr auf einem guten Weg. Die gibt es jetzt tatsächlich schon als kommerzielles Produkt, das in einem Labor ohne dauernde Betreuung durch speziell geschultes Personal über längere Zeiten laufen kann.“
Präzision trifft Realität
Was also bleibt von der Vision einer 1000-fach genaueren Uhr? Physikalisch ist der Fortschritt enorm. Optische Atomuhren – und perspektivisch eine Thorium-Kernuhr – eröffnen neue Möglichkeiten, fundamentale Naturgesetze zu testen. So gelten sie als besonders empfindliche Werkzeuge, um etwa mögliche zeitliche Änderungen von Naturkonstanten zu untersuchen, wie sie in Übersichtsarbeiten zu modernen optischen Uhren beschrieben werden (Ludlow et al., Reviews of Modern Physics, 2015, PTB)
In der praktischen Anwendung zeigt sich jedoch schnell eine harte Grenze. Schon heute sind nicht die Atomuhren selbst der limitierende Faktor für Systeme wie GPS, sondern die Übertragung ihrer Zeitsignale. Navigationssysteme hängen zwar direkt von hochpräzisen Uhren ab, doch ihre Genauigkeit wird maßgeblich durch Signalverzögerungen in Ionosphäre und Troposphäre begrenzt – ein gut dokumentiertes Problem der Satellitennavigation.
Mit steigender Präzision verschiebt sich das Problem
Je weiter die Präzision der Uhren steigt, desto deutlicher verschiebt sich das Problem. Temperatur-, Druck- und Feuchtigkeitsschwankungen verändern den Brechungsindex der Atmosphäre ständig. Für Funk- wie für optische Signale bedeutet das variable Laufzeiten, Phasenrauschen und systematische Unsicherheiten. Experimente zur freien optischen Zeitübertragung zwischen hochpräzisen Uhren zeigen, dass genau diese atmosphärischen Effekte selbst bei modernsten Systemen zum dominierenden Fehlerbeitrag werden
→ z. B. Deschênes et al., Optica 2021.
Ab einem gewissen Punkt bringt zusätzliche Uhrenpräzision deshalb kaum noch einen praktischen Nutzen. Eine Uhr, die 1000-mal genauer misst, verbessert reale Anwendungen nicht automatisch, solange der Signalweg diese Genauigkeit nicht stabil transportieren kann. Das eigentliche Limit liegt dann nicht mehr im Labor, sondern zwischen Sender und Empfänger.
Das schmälert die Bedeutung der Thorium-Kernuhr nicht – im Gegenteil. Ihr größter Wert liegt zunächst in kontrollierten Umgebungen. Dort wird sie zu einem neuen Werkzeug der Grundlagenphysik. Die eigentliche ingenieurtechnische Herausforderung folgt danach: Übertragungswege, Referenzsysteme und Infrastruktur so weiterzuentwickeln, dass sie mit dieser Präzision überhaupt Schritt halten können. Die Revolution der Zeitmessung endet also nicht bei der Uhr – sie beginnt dort erst.
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