Thorium-229-Basis: Neue Kernuhr ebnet Weg für genauere Zeitmessung
Liefert eine neue Kernuhr mit Thorium-229 künftig den Schlüssel zur dunklen Materie? Forscher haben einen funktionierenden Prototyp gebaut, der die Zeit direkt am Atomkern misst. Das eigenständige Gerät korrigiert seine Frequenz automatisch.
Herkömmliche Atomuhren nutzen die Übergänge von Elektronen in der Atomhülle. Die neue Technik greift dagegen auf den Atomkern zu. Dieser ist etwa zehntausendmal kleiner als das Atom und weniger empfindlich gegenüber äußeren Störungen.
Normalerweise erfordert die Manipulation eines Atomkerns große Energiemengen. Bei Thorium-229 liegen jedoch zwei Energiezustände so dicht beieinander, dass ein spezieller Laser den Übergang auslösen kann. Wie das Fachmagazin Nature berichtet, betteten die Wissenschaftler die Thorium-Atome in einen Calciumfluorid-Kristall ein. Das System arbeitet eigenständig mit einer Rückkopplungsschleife.
Das theoretische Konzept einer Kernuhr hatten Forscher bereits 2003 vorgeschlagen. Im April 2024 gelang es erstmals, den Kernübergang anzuregen. Im Herbst folgte die Kopplung an eine herkömmliche optische Atomuhr. Der nun unabhängig laufende Prototyp erreicht nach Angaben der Forscher eine Genauigkeit, die einer Abweichung von rund einer Sekunde in 30 Millionen Jahren entspricht.
Was haltet ihr von den neuen Kernuhren? Glaubt ihr, dass die Technologie unseren Alltag in Zukunft verändern wird? Teilt eure Gedanken gerne mit uns in den Kommentaren!
Siehe auch:
- Physiker aus Wien und Peking entwickelten erste funktionierende Kernuhren
- Die neuartige Technologie greift gezielt auf das Isotop Thorium-229 zu
- Das System arbeitet völlig eigenständig über eine Rückkopplungsschleife
- Der Prototyp weicht in etwa 30 Millionen Jahren lediglich eine Sekunde ab
- Mit der hochpräzisen Technik soll künftig dunkle Materie gesucht werden
Zeitmessung der neuen Generation
Seit einem halben Jahrhundert nutzen die präzisesten Uhren der Welt Elektronen zur Zeitmessung. Cäsium-Fontänen definieren die Sekunde. Optische Atomuhren messen die Zeit inzwischen so genau, dass sie über die gesamte Lebensdauer des Universums weniger als eine Sekunde abweichen würden. Physiker in Wien und Peking haben nun erste funktionierende Kernuhren gebaut, die auf das Isotop Thorium-229 synchronisiert sind und künftig noch genauer arbeiten sollen.Herkömmliche Atomuhren nutzen die Übergänge von Elektronen in der Atomhülle. Die neue Technik greift dagegen auf den Atomkern zu. Dieser ist etwa zehntausendmal kleiner als das Atom und weniger empfindlich gegenüber äußeren Störungen.
Normalerweise erfordert die Manipulation eines Atomkerns große Energiemengen. Bei Thorium-229 liegen jedoch zwei Energiezustände so dicht beieinander, dass ein spezieller Laser den Übergang auslösen kann. Wie das Fachmagazin Nature berichtet, betteten die Wissenschaftler die Thorium-Atome in einen Calciumfluorid-Kristall ein. Das System arbeitet eigenständig mit einer Rückkopplungsschleife.
Kristall mit Rückkopplung
Ein Laser bestrahlt den Kristall. Die Thorium-Kerne absorbieren das Licht nur bei einer bestimmten Frequenz. Weicht die Laserfrequenz ab, sinkt die Absorption. Das System erkennt dies und korrigiert die Frequenz automatisch. So läuft die Uhr stabil, ohne eine herkömmliche Atomuhr als Referenz zu benötigen.Das theoretische Konzept einer Kernuhr hatten Forscher bereits 2003 vorgeschlagen. Im April 2024 gelang es erstmals, den Kernübergang anzuregen. Im Herbst folgte die Kopplung an eine herkömmliche optische Atomuhr. Der nun unabhängig laufende Prototyp erreicht nach Angaben der Forscher eine Genauigkeit, die einer Abweichung von rund einer Sekunde in 30 Millionen Jahren entspricht.
Suche nach dunkler Materie
Damit erreicht der Prototyp noch nicht die Genauigkeit modernster optischer Atomuhren, bietet aber Potenzial für weitere Verbesserungen. Wissenschaftler hoffen, mit der Technik künftig dunkle Materie aufzuspüren, die 83 Prozent der Materie im Universum ausmacht. Vorbeifliegende Teilchen könnten winzige Schwankungen der Naturkonstanten verursachen, die eine Kernuhr registrieren könnte.Was haltet ihr von den neuen Kernuhren? Glaubt ihr, dass die Technologie unseren Alltag in Zukunft verändern wird? Teilt eure Gedanken gerne mit uns in den Kommentaren!
Wie genau ist die Thorium-Kernuhr?
Der aktuelle Prototyp weicht in rund 30 Millionen Jahren um eine Sekunde ab. Das Gerät lief in ersten Tests der Forscher über 24 Stunden lang stabil, ohne dass sie von außen eingreifen mussten.
Damit ist die Kernuhr noch nicht so präzise wie die besten heutigen Atomuhren. Diese arbeiten etwa 10.000-mal zuverlässiger und würden erst nach über 100 Milliarden Jahren Laufzeit um eine Sekunde abweichen.
Damit ist die Kernuhr noch nicht so präzise wie die besten heutigen Atomuhren. Diese arbeiten etwa 10.000-mal zuverlässiger und würden erst nach über 100 Milliarden Jahren Laufzeit um eine Sekunde abweichen.
Wann ersetzt die Kernuhr die Atomuhr?
Vorerst werden Kernuhren das weltweite Netz der Atomuhren nicht ablösen. Letztere definieren weiterhin die Länge einer Sekunde und bleiben der Maßstab für eine hochpräzise Zeitmessung.
Kernuhren könnten sich in Zukunft jedoch tragbarer bauen lassen als herkömmliche Atomuhren. Zudem sehen die Wiener Forscher um Thorsten Schumm noch viel Raum für Verbesserungen der Genauigkeit, etwa durch stärkere Laser und bessere Thorium-Kristalle.
Kernuhren könnten sich in Zukunft jedoch tragbarer bauen lassen als herkömmliche Atomuhren. Zudem sehen die Wiener Forscher um Thorsten Schumm noch viel Raum für Verbesserungen der Genauigkeit, etwa durch stärkere Laser und bessere Thorium-Kristalle.
Warum nutzen die Forscher Thorium-229?
Bei diesem schweren, radioaktiven Element liegen zwei Energiezustände des Atomkerns ungewöhnlich nah beieinander.
Dieser geringe Abstand ermöglicht es überhaupt erst, den Kern mit dem Licht eines Lasers anzuregen und so den Takt vorzugeben. Bei fast allen anderen bekannten Atomkernen wären für einen Wechsel der Zustände deutlich größere Energiemengen nötig, die sich nicht einfach mit einem Laser erzeugen lassen.
Dieser geringe Abstand ermöglicht es überhaupt erst, den Kern mit dem Licht eines Lasers anzuregen und so den Takt vorzugeben. Bei fast allen anderen bekannten Atomkernen wären für einen Wechsel der Zustände deutlich größere Energiemengen nötig, die sich nicht einfach mit einem Laser erzeugen lassen.
Wie findet die Kernuhr Dunkle Materie?
Wenn unsichtbare Teilchen der Dunklen Materie die Thorium-Kerne durchqueren, könnte dies den Takt der Kernuhr minimal ins Schwanken bringen.
Dunkle Materie macht etwa 83 Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Da der Übergang im Thorium-Kern extrem empfindlich auf kleinste Schwankungen der physikalischen Naturkonstanten reagiert, hoffen Forscher, solche Teilchen künftig durch winzige Abweichungen im Rhythmus der Uhr nachweisen zu können.
Dunkle Materie macht etwa 83 Prozent der gesamten Materie im Universum aus. Da der Übergang im Thorium-Kern extrem empfindlich auf kleinste Schwankungen der physikalischen Naturkonstanten reagiert, hoffen Forscher, solche Teilchen künftig durch winzige Abweichungen im Rhythmus der Uhr nachweisen zu können.
Thema:
Nadine Juliana DresslerRedakteurin für Windows & Netzwerke
Seit 2001 im Journalismus, klassisch ausgebildet, Autorin eines Windows-Buches. Ihre Themen reichen von Insider-Builds über die FritzBox bis zu DSL und Starlink.
