Erste Atomkernuhr der Welt läuft in Wien

Wissenschafter der Technischen Universität Wien haben die erste Atomkernuhr der Welt erfolgreich in Betrieb genommen. Das Team um Thorsten Schumm vom Wiener Atominstitut publizierte die Ergebnisse im Fachblatt „Nature“. Der Durchbruch eröffnet neue Möglichkeiten in Technik und Forschung.

Bereits 2024 hatte die gleiche Forschergruppe im Journal „Physical Review Letters“ beschrieben, wie sich Thorium-229-Atomkerne mit einem Laser gezielt zwischen verschiedenen Zuständen umschalten lassen. Damals stand die Option einer Atomkern-Uhr im Raum – nun wurde sie Realität.

Jahrelange Suche nach der richtigen Frequenz

Als Schumm im Jahr 2009 – unterstützt durch einen START-Preis des Wissenschaftsfonds (FWF) – mit der Suche nach der exakten Laserfrequenz begann, war der Erfolg alles andere als sicher. Der Physiker bezeichnete sich selbst rückblickend als „junger und sehr naiver Wissenschafter“. Normalerweise ist es unmöglich, einen Atomkern mittels Laserlicht in einen anderen Energiezustand zu versetzen. Beim Isotop Thorium-229 existiert jedoch ein Sonderfall: zwei Energieniveaus liegen extrem nahe beieinander.

Ein entscheidendes Experiment führte das Team bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Genf durch. Dabei wurden Thoriumkerne durch Kernzerfall erzeugt und in einen höheren Energiezustand versetzt. Beim Zurückfallen in den Grundzustand sendeten sie Photonen- beziehungsweise Gammastrahlung aus. Deren Frequenz lieferte den Hinweis auf den benötigten Schwingungsbereich für die gezielte Anregung.

Schumm war selbst skeptisch, dass das Experiment funktionieren würde – er verlor sogar „eine durchaus große Wette“. Dennoch wurde ihm danach klar, dass die subtilere Anregung später ebenfalls gelingen würde. In Kooperation mit Kollegen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig dauerte es noch rund ein Jahr, bis die exakte Frequenz gefunden war. Der erste erfolgreiche Ausschlag nach der Atomkernmanipulation mittels Laser datiert aus Ende 2023. Schumm beschrieb es als „Herkulesaufgabe, die uns an unsere Grenzen gebracht hat“.

Kompakter Aufbau neben dem Forschungsreaktor

Die erste Atomkernuhr präsentiert sich im Oktober 2026 als relativ kompakter Aufbau in einem kleinen Labor neben Österreichs einzigem Forschungs-Atomreaktor am Standort der Technischen Universität in Wien-Leopoldstadt. Das Laserlicht wird aufwendig in einen extrem kurzwelligen Bereich hochmoduliert. In diesem Modus kann es sich nur noch im Vakuum ausbreiten.

In der luftleeren Kammer befindet sich das Herzstück und der Taktgeber der Uhr: der Kristall mit den eingebauten Thorium-229-Atomkernen. Der Laserstrahl wird über einen Spiegel nach oben geschossen und durchdringt den Kristall. Detektoren fangen das nach der Passage charakteristisch veränderte Licht ein.

Selbststabilisierendes System

Regt der Laser die Atome exakt mit der richtigen Frequenz an, schwächt sich das Signal im Lauf der Zeit leicht ab. Kommt es zu einer minimalen Verschiebung und damit zu einem ansteigenden Signal, korrigiert ein Algorithmus die Frequenz sofort. Das System reguliert sich selbst. Mit der Anregung des Atomkerns ist somit dasselbe Prinzip umgesetzt, nach dem „im Prinzip jede Uhr“ arbeitet, auch herkömmliche Atomuhren.

Von der Quarz- bis zur Atomuhr braucht es ein verlässlich schwingendes System, das ein Rückkoppelungskreis in Resonanz hält. In der Atomuhr hebt ein Laser ein Elektron in einem geladenen Teilchen (Ion) gezielt auf ein höheres Energielevel. Die Atomkernuhr setzt dagegen auf Atomkerne als Taktgeber.

Testlauf über 24 Stunden

Im Zuge der nun publizierten Studie lief die Atomkernuhr über 24 Stunden durchgehend, parallel dazu eine auf Ytterbium-Ionen basierende Atomuhr. Der Vergleich beweist: Die Atomkernuhr aus Wien funktioniert.

Im Testlauf wich der Aufbau etwa eine Sekunde pro 30 Millionen Jahre ab. Zum Vergleich: Die genaueste Atomuhr liegt derzeit bei einer Sekunde Abweichung alle 55 Milliarden Jahre. Die Atomkernuhr kann also noch deutlich genauer werden. Das soll in den nächsten Jahren gelingen.

Man hat damit außerhalb der Elektronenhülle „ein komplett neues Quantensystem, das angreif- und manipulierbar wird. Es ist eine andere Physik“, sagte Schumm.

Internationale Konkurrenz

Nach 2024 blieb der Durchbruch in der Wissenschaftswelt nicht unbemerkt. In den USA und China wurden große Budgets mobilisiert, um auf dem „strategisch wichtigen Gebiet“ mitzumischen. In der gleichen „Nature“-Ausgabe publiziert auch eine chinesische Gruppe eine selbst konstruierte Atomkernuhr – allerdings war man damit etwas später dran als die Wiener Gruppe und wandte das in Wien entwickelte Konzept an.

Anwendungen von Navigation bis Dunkle Materie

Um die neue Uhr noch genauer zu machen, braucht es anders gestaltete Kristalle, in denen „Thorium quasi ein natürlicher Bestandteil ist“, und mehr statistische Messdaten mit stärkeren Lasern. Letztere sind gerade in Entwicklung, an Ersterem wird in Wien bereits gearbeitet.

„Es gibt aber auch Anwendungsbereiche, die nicht davon abhängen, dass es jetzt die weltbeste Uhr ist“, betonte Schumm. Atomkernuhren bekomme man künftig voraussichtlich auf „einen kleinen Chip drauf“. Damit rückt die Technologie etwa für die Navigation in Reichweite eines deutlich größeren Nutzerkreises. Bislang erfordern hochpräzise Messungen aufwendige, schwere und große Geräte.

Zugleich eröffnet das grundlegend neue, beherrschbare Quantensystem die Chance, fundamentale Fragen der Physik neu anzugehen. Die aktuelle Arbeit, an der auch das Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV) beteiligt war, macht dazu bereits einen ersten Schritt: Das Team stellt fest, dass sich in einem bestimmten Frequenzbereich kein Anzeichen für Dunkle Materie mit einer bestimmten Masse findet. „Wir zeigen also, dass die Dunkle Materie sozusagen woanders sein muss“, so Schumm.

Ressourcen als begrenzender Faktor

Viele Länder interessieren sich für die Technologie. Wenn Österreich weiter vorne mitspielen will, braucht es jetzt viel Einsatz. Noch hat man etwas mehr Erfahrung als andere Gruppen, mit denen man auch eng zusammenarbeitet. Bei den Mitteln kann Österreich aber mit manchen anderen kaum mithalten. Die Budgets der Universitäten wachsen nicht stark. Viele Projekte werden außerdem nur für wenige Jahre finanziert, und die Abwicklung ist kompliziert. Das bremst die Forschung.

Zum einen soll die Technologie selbst weiterentwickelt werden. Zum anderen will man mit der Uhr Grundlagenforschung betreiben. Dafür braucht man mehrere Uhren. Gleichzeitig möchten viele Interessenten die Kristalle kaufen, die in Wien entwickelt wurden. Schumm sagt: „Das heißt, wir müssten hier eigentlich Produktion machen“. Er will bald ein Start-up gründen. „Unterm Strich ist es eine Skalierungsfrage. Es braucht mehr Geld und mehr Leute.“

Klar sei: „In den nächsten fünf bis zehn Jahren möchte ich hier auf jeden Fall mitmischen.“

Quelle: APA