Mit der nuklearen Uhr zu neuen Antworten

Das globale Navigationssystem GPS, der digitale Datenverkehr im Telefonnetz, die Vermessung der Erde von Satelliten aus: All diese Techniken würden ohne exakte Zeitmesser nicht funktionieren. Hier kommt es auf wenige milliardstel Sekunden an, damit die Ergebnisse stimmen. Auch die Wissenschaft – speziell die Physik – ist auf extrem präzise Uhren angewiesen, wenn sie beispielsweise klären will, woraus dunkle Materie besteht oder ob Naturkonstanten tatsächlich konstant sind. Eine grundlegend neue Basis für solch einen hochpräzisen Zeitmesser steht im Mittelpunkt eines jetzt bewilligten internationalen Forschungsprojekts. Der Österreichische Wissenschaftsfonds FWF hat dafür den Spezialforschungsbereich „Kohärente Metrologie jenseits elektrischer Dipolübergänge“ eingerichtet, vergleichbar mit einem Sonderforschungsbereich der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Ausgestattet mit 3,1 Millionen Euro arbeiten dort in den kommenden vier Jahren Teams der Uni und der TU Wien, des Institute of Science and Technology Austria und der Uni Würzburg zusammen.

„Die präzisesten Zeitmesser sind heute Atomuhren, die die Zeit anhand der Frequenz der Übergänge messen, die Elektronen zwischen den verschiedenen Energieniveaus eines Atoms machen. In unserem Projekt wollen wir mithilfe eines neuentwickelten schmalbandigen Lasers einen Atomkern dazu bringen, zwischen Energieniveaus zu springen und dabei Photonen zu emittieren. Eine solche Kernuhr könnte die Messgenauigkeit um den Faktor 3 steigern“, erklärt Adriana Pálffy-Buß von der Uni Würzburg.

Das Forschungsteam setzt dabei auf ein Isotop des Elements Thorium. Der fragliche Thoriumkern besitzt 229 Kernbausteine – Protonen und Neutronen – und kann in einen angeregten Zustand übergehen, der nur etwa acht Elektronenvolt energiereicher ist als sein niedrigster Energiezustand. „Dieser Unterschied ist nach kernphysikalischen Maßstäben so winzig, dass die beiden Zustände kaum zu unterscheiden waren, als sie zum ersten Mal beobachtet wurden“, sagt Pálffy-Buß. Gleichzeitig sei es dieser Unterschied, der eine „nukleare Zeitmessung“ möglich machen könnte. Der experimentelle Nachweis dieses Sprungs vom angeregten in den Grundzustand eines Thoriumkerns mit Emission eines Photons ist 2023 gelungen.

Mit einem Laser auf Thoriumatome schießen und die gesuchten Photonen einfangen: So einfach funktioniert die nukleare Uhr leider nicht. Einer der Gründe dafür, so Pálffy-Buß: „Man benötigt ungefähr acht Elektronenvolt, um den Kern anzuregen. Sechs Elektronvolt reichen allerdings, um das äußerste Elektron aus seiner Bahn zu entfernen. In diesem Fall bevorzugt der Kern, seine Anregungsenergie dem Elektron zu übergeben, statt ein Photon zu emittieren. Das muss man jedoch vermeiden.“ Die Lösung für dieses Problem könnte sein, Thoriumatome in speziellen transparenten Kristallen einzubauen. „In den entsprechenden Experimenten zeigte sich, dass Thorium seinen Platz im Kristallgitter in einem ionischen Zustand einnimmt – sein äußeres Elektron also abgibt“, erklärt die Physikerin. Auch kann der Kristall viele Thorium-Kerne auf einmal aufnehmen, was es leichter macht, das gesuchte Photon zu entdecken.

Ein weiteres Problem: Bislang existiert kein Laser, der die nötige Präzision besitzt, um den gewünschten Effekt in Gang zu setzen. Das Forschungsteam setzt deshalb auf eine innovative Methode, die Licht mit Orbitaldrehimpuls einsetzt. Stark vereinfacht dargestellt, treffen bei dieser Methode Laserpulse nicht wie eine „Energiewand“ auf die Thoriumatome. Sie gleichen vielmehr einer Art rotierendem Korkenzieher und sollen auf diese Weise mit einer höheren Wahrscheinlichkeit die Atomkerne in den gewünschten Anregungszustand versetzen.

„Eine Kernuhr würde die Untersuchung von Konzepten ermöglichen, die normalerweise als selbstverständlich angesehen werden, wie beispielsweise die Frage, ob grundlegende physikalische Konstanten wirklich konstant sind“, erläutert Pálffy-Buß weiter. Darüber hinaus könne sie dazu beitragen, die Frage zu beantworten, woraus dunkle Materie besteht. „Aufgrund der fundamentalen Wechselwirkungen, die bei Kernübergängen eine Rolle spielen, ist die Kernuhr in einer einzigartigen Position, solche Fragen zu beantworten“, so die Forscherin.

JMU Würzburg / RK