Durchbruch in der Kernuhrtechnologie ermöglicht beispiellose Genauigkeit der Zeitmessung.

BerlinWissenschaftler am Forschungsinstitut JILA, das mit dem NIST und der University of Colorado Boulder verbunden ist, haben Fortschritte bei Kernuhren gemacht und die Genauigkeit der Zeitmessung verbessert. Im Gegensatz zu Atomuhren, die Änderungen in den Energielevels von Elektronen nutzen, messen Kernuhren Veränderungen in den Energieniveaus des Atomkerns, bestehend aus Protonen und Neutronen.

Die Forscher demonstrierten wesentliche Komponenten dieser Atomuhr mithilfe von Thorium-229. Dies erreichten sie durch:

• Einsatz eines speziell entwickelten Ultraviolettlasers zur Messung der Frequenz eines Energieübergangs in in einem festen Kristall eingebetteten Thoriumkernen.
• Verwendung eines optischen Frequenzkamms zur Zählung der Anzahl der mit diesem Energieübergang verbundenen Ultraviolett-Wellenzyklen.
• Herstellung einer direkten Frequenzverbindung zwischen dem Thoriumkernübergang und einer Atomuhr unter Verwendung von Strontium.

Diese neue Technologie verspricht äußerst präzise Zeitmessung. Während aktuelle Atomuhren, die für GPS, Internetsynchronisierung und Finanztransaktionen unerlässlich sind, bald ungenauer wirken könnten, bieten nukleare Uhren erhebliche Verbesserungen. Dies könnte zu besseren Navigationssystemen, schnellerem Internet und sichereren digitalen Kommunikationsmitteln führen.

Nuklearuhren sind unempfindlicher gegen äußere Störungen als Atomuhren. Während bei Atomuhren Elektronen durch elektromagnetische Felder beeinflusst werden, sind Kernübergänge weniger anfällig für solche Felder. Außerdem messen Nuklearuhren die Zeit präziser, da sie aufgrund schnellerer Energieänderungen mit höheren Frequenzen arbeiten.

Die Erzeugung kohärenter Röntgenstrahlen für nukleare Übergänge ist schwierig. Doch Thorium-229 ist insofern einzigartig, als dass sein Übergang mit ultraviolettem Licht ausgelöst werden kann, das im Labor leichter zu erzeugen ist. Jüngste Experimente haben diesen Übergang erfolgreich beobachtet und genutzt, wodurch wir der Entwicklung von Atomuhren einen Schritt näher gekommen sind.

Neue Einblicke in die Form des Thoriumkerns

Die Forschung hat neue Details über die Form des Thoriumkerns enthüllt und gezeigt, wie präzise diese neue Technologie arbeiten kann. Bisher unbekannte Merkmale des Thoriumkerns bieten Einblicke, die grundlegende Physikexperimente verändern könnten. So könnten nukleare Uhren beispielsweise helfen, dunkle Materie zu entdecken oder die Stabilität der fundamentalen Naturkonstanten zu bestätigen – Aufgaben, die normalerweise von großen Teilchenbeschleunigern übernommen werden.

Eine neue Art tragbarer und zuverlässiger Atomuhren wird entwickelt. Wissenschaftler erforschen die Nutzung von Thorium, das in einem festen Kristall eingebettet ist, um diese Geräte herzustellen. Diese Methode ist vielversprechend, da der Thoriumkern weniger von Umwelteinflüssen betroffen ist. Jun Ye, Physiker am NIST und JILA, erklärte, dass eine Armbanduhr, die Milliarden Jahre lang genau bleibt, zwar noch nicht möglich sei, aber die Forschung mache erhebliche Fortschritte in diese Richtung.

Eine verbesserte Uhrgenauigkeit könnte bedeutende Fortschritte in Bereichen wie Transport, Kommunikation und theoretischer Physik ermöglichen. Dies könnte den Weg für erhebliche Weiterentwicklungen in diesen Feldern ebnen, die alle durch besseres Zeitmanagement beeinflusst werden.