Von der Atomuhr zu Kernuhr

Auf dem Atomkern basierende Uhren könnten unsere Zeitmessung noch genauer machen als heutige Atomuhren. Der Schlüssel dazu liegt in Thorium-229, einem Atomkern, dessen niedrigster angeregter Zustand eine sehr geringe Energie aufweist. Einem Forscher­team aus dem Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg, der Tech­nischen Universität Wien, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM) und dem GSI Helmholtz­zentrum für Schwerionen­forschung Darmstadt ist es nun gelungen, diese niedrige Energie zu messen. Mit einem extrem genauen Detektor konnte der winzige Temperatur­anstieg nachgewiesen werden, der durch die bei der Abregung des Atomkerns freigesetzte Energie entsteht. Damit kommt man der Rea­lisierung einer Kernuhr einen großen Schritt näher.

Beim radioaktiven Zerfall ordnen sich Atomkerne spontan neu an, emittieren einen Teil ihrer Bestandteile und verwandeln sich in einen Kern eines anderen Atoms. Bei diesem Prozess verbleibt im neuen Tochterkern normaler­weise intern gespeicherte Energie, die in Form von Gammastrahlen freigesetzt wird. Die Energien dieser Strahlen sind – wie Fingerabdrücke – für jeden Kerntyp charakteristisch. Durch die Charak­terisierung dieser Gammastrahlen-Finger­abdrücke lernen die Forscher viel über Atomkerne. Bereits 1976 untersuchten L. A. Kroger und C. W. Reich den Zerfall von Uran-233, einem künstlichen Urankern, der unter Aussendung eines Alphateilchens zu Thorium-229 zerfällt; unmittelbar darauf folgt die Emission charak­teristischer Gammastrahlen, die in unter­schiedlichen und im Allgemeinen gut verstandenen Mustern auftreten. Kroger und Reich registrierten jedoch eine Anomalie: Eine Energie im Spektrum der Gammastrahlung, die von allen Nuklear­theorien vorhergesagt wurde, fehlte in den gemessenen Signalen. Die beste Erklärung war, dass die im niedrigsten angeregten Zustand von Thorium-229 gespeicherte innere Energie zu gering war, als dass die entsprechende Strahlung von den Detektoren beobachtet werden konnte. In den folgenden Jahrzehnten wurden viele Versuche unternommen, diese nieder­energetische Gammastrahlung zu beobachten, allerdings ohne Erfolg, wodurch sie auf immer niedrigere Energien beschränkt wurde.

Heute wissen wir, dass der niedrigste angeregte Energiezustand des Thorium-229-Kerns bei der niedrigsten bekannten Energie aller Atomkerne überhaupt liegt. Sie liegt bei einer Energie, die um Größen­ordnungen niedriger ist als übliche Anregungs­energien. Folglich ist die Energie der zugehörigen Gammastrahlung so niedrig, dass sie im ultra­violetten Bereich des elektro­magnetischen Spektrums und nicht im typischen Gammastrahlen­bereich liegt. Dies führt zu der einzigartigen Situation, dass der umgekehrte Prozess der Abregung durch die Emission dieser „ultra­violetten Gammastrahlung“, nämlich die Anregung des unteren Zustands durch Einstrahlen von ultra­violettem Licht auf den Kern, möglich ist. Es ist das einzige Kernsystem, das mit Table-Top-Laserlicht angeregt werden kann. Damit eröffnen sich spannende Perspektiven, unter anderem die Konstruktion einer nuklearen Uhr, bei der die Zeit durch Schwingungen des Kerns zwischen diesen beiden Zuständen gemessen wird. Die Präzision einer solchen Uhr wird voraus­sichtlich besser sein als die der derzeit besten Atomuhren, die auf Schwingungen zwischen Zuständen in der Elektronen­hülle beruhen, die anfälliger für externe Störungen ist als der 10.000 Mal kleinere Kern.

Das Hauptproblem besteht jedoch darin, dass die Energie des isomeren Zustands noch nicht genau genug bekannt ist, um zu wissen, welches ultra­violette Licht benötigt wird, um die Schwingung zu stimulieren. Die Forscher haben nun die Gamma­spektroskopie-Messung von Kroger und Reich wiederholt, allerdings unter Verwendung eines hochmodernen Gammaspektrometers, das explizit für die Registrierung von Strahlen solch niedriger Energie ausgelegt ist. Dazu entwickelte das Team um Christian Enss und Andreas Fleischmann am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg ein magnetisches Mikro­kalorimeter, genannt „maXs30“. Dieser auf minus 273 Grad Celsius gekühlte Detektor misst den winzigen Temperatur­anstieg, der bei der Absorption einer nieder­energetischen Gammastrahlung auftritt. Der Temperatur­anstieg führt zu einer Änderung der magnetischen Eigenschaften des Detektors, die dann mithilfe von Squid-Magnetometern, ähnlich denen, die üblicherweise in der Magnetresonanz­tomographie verwendet werden, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Der maXs30-Detektor hat eine bisher unerreichte Energie­auflösung und Verstärkungs­linearität; dennoch brauchte es etwa zwölf Wochen konti­nuierlicher Messungen, um das Gammastrahlen­spektrum mit ausreichender Genauigkeit zu erhalten.

Um diese anspruchs­volle Messung zu ermöglichen, stellte das Team von Christoph Düllmann in Mainz und Darmstadt eine spezielle Probe von Uran-233 her. Zunächst entfernten sie chemisch alle Zerfalls-Tochterprodukte, die im Laufe der Zeit vor der Verwendung der Probe entstanden waren. Außerdem entfernten sie uner­wünschte Radioisotope, deren Zerfall zu einem unerwünschten Untergrund in den Messdaten führt. Dann entwarfen sie eine Quellen­geometrie und einen Proben­behälter, die zu minimalen Störungen der schwachen Signale auf dem Weg von der Probe zu den maXs30-Kalori­metern führten. Diese Schritte waren für den Erfolg der Messung erforderlich, da nur einer von 10.000 Abregungs­vorgängen ein Signal erzeugt, das für die Bestimmung der Isomeren­energie nutzbar ist.

Die Messung ergab das bisher präziseste Gammastrahlen­spektrum des Zerfalls von Uran-233 zu Thorium-229. Das Team von Thorsten Schumm an der Technischen Universität Wien hat zusammen mit dem Heidelberger Team vier verschiedene Schemata angewandt, um aus diesen Daten die Energie des Isomeren­zustands abzuleiten. Das präziseste ergab einen Wert von 8,1 Elektronenvolt, was Licht einer Wellenlänge von 153,1 Nanometer entspricht. Diese Messung ebnet den Weg für eine direkte Laser­anregung des Thorium-229-Isomers.

JGU Mainz / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Sikorsky et al.: Measurement of the 229Th Isomer Energy with a Magnetic Microcalorimeter, Phys. Rev. Lett. 125, 142503 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.142503
• Kernchemie (C. E. Düllmann), Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Weitere Infos

• Peter G. Thirolf, Lars von der Wense und Benedict Seiferle, Ein Isomer als Uhrwerk, Physik Journal, Juni 2020, S. 42