Fast 50 Jahre lang träumten Physiker von einer Uhr, die auf einem Atomkern basiert. Nun haben zwei Teams — eines in Wien, eines in Peking — unabhängig voneinander funktionierende Versionen gebaut und ihre Ergebnisse in Nature veröffentlicht.
Statt wie Cäsium- und Strontium-Atomuhren die Sprünge von Elektronen zwischen Energieniveaus in der Atomhülle zu zählen, beobachten die neuen Geräte, wie Protonen und Neutronen im Kern von Thorium-229 ihre Energieniveaus wechseln. Weil der Kern viel kleiner ist als die Elektronenwolke darum, stören elektrische und magnetische Streufelder seine Übergänge weit weniger — das theoretische Rezept für eine genauere Uhr.
Beide Teams fingen Thorium-229 in Festkörperkristallen aus Calciumfluorid ein und regten den nuklearen Übergang bei 148 Nanometern mit Vakuum-Ultraviolettlasern an. Mit unterschiedlichen Ansätzen erreichten sie gleichzeitig funktionierende Uhren. 'Ich halte das für sehr ermutigend, weil es zeigt, dass das Konzept robust ist und nicht von einer bestimmten technischen Umsetzung abhängt', sagte der Physiker Shiqian Ding von der Tsinghua-Universität, Co-Leiter des Pekinger Teams.
Die Kernuhren übertreffen die besten konventionellen Atomuhren noch nicht, die in Milliarden Jahren nur eine Sekunde gewinnen oder verlieren. Thorsten Schumm von der TU Wien, der die Idee seit 2008 verfolgt, nannte das derzeitige Gerät 'weit von seiner Zielleistung entfernt' — betonte aber, die beiden Designs ergänzten sich: Wiens Kristalle haben eine höhere Thoriumkonzentration und bessere optische Eigenschaften, Pekings Laser ist stärker.
Die Anwendungen sind praktisch und grundlegend. Hochpräzise Uhren tragen Satellitennavigation, Datennetz-Synchronisation und Metrologie. Eine Kernuhr ließe sich kleiner und robuster bauen als heutige Instrumente. Und ihre Empfindlichkeit macht sie zum Werkzeug der Grundlagenphysik: Das Wiener Team setzte seine Uhr für die Suche nach Dunkler Materie ein. Gefunden wurde keine — doch die Uhr erreichte das Niveau der besten Atomuhren, ein vielversprechendes Zeichen für ein Instrument, das laut den Forschern 'Zugang zu einem ganz neuen Physik-Universum' eröffnet.
