Spitzenforschung in Bonn: Ein großer Schritt hin zur Atomkern-Uhr

Spitzenforschung in Bonn : Ein großer Schritt hin zur Atomkern-Uhr

Studien unter Beteiligung der Universität Bonn eröffnen neue Anwendungsfelder für ultragenaue Zeitmessungen. Damit kommen sie einer Atomkern-Uhr einen großen Schritt näher.

In den 1970er Jahren war die Quarzuhr am Handgelenk eine kleine technische Revolution: der erste vollelektronische Zeitmesser. Dazu versetzt man einen Quarzkristall in Schwingungen, was am besten bei seiner Resonanzfrequenz funktioniert. Sie gibt den Takt vor, und das tut sie ziemlich exakt. Wobei es allerdings noch genauer geht.

Um die exakteste Uhr der Welt zu bauen, braucht es einen Taktgeber, der sehr oft und extrem präzise tickt. Atomuhren nutzen ebenfalls ein Resonanzphänomen, reagieren auf minimale Abweichungen aber viel empfindlicher als ein Quarzkristall. Die besten gehen dabei in 30 Milliarden Jahren nicht eine Sekunde falsch.

"Die heute üblichen Atomuhren sind jedoch anfällig gegenüber Störeinflüssen", erklärt Professor Simon Stellmer von der Arbeitsgruppe Quantenmetrologie der Universität Bonn. "Temperaturschwankungen oder Magnetfelder können sie leicht aus dem Takt bringen." Der Aufwand, um solche Störungen zu minimieren bringt es mit sich, dass typische Atomuhren heute noch die Größe einer Wohnküche besitzen.

Nun allerdings ist zwei internationalen Forschungsteams zugleich ein großer Schritt auf dem Weg zur wesentlich handlicheren Version der Atomkern-Uhr gelungen. Die Wissenschaftler konnten die Energie des lang gesuchten Kernübergangs von Thorium – einem nach dem germanischen Gott des Donners benannten chemischen Element – bestimmen.

Der Schlüssel zu der Entdeckung ist nach dem Gott des Donners benannt

Dies rückt den Bau kleiner und äußerst robuster Uhren von hoher Präzision in greifbare Nähe. Damit sollen sich in Zukunft zum Beispiel die Auswirkungen des Klimawandels viel genauer vermessen lassen. Die Universität Bonn ist an beiden Studien beteiligt. Sie werden nun in der renommierten Fachzeitschrift "Nature" veröffentlicht.

Atomkerne sind 100.000 mal kleiner als ein komplettes Atom und deshalb auch deutlich unempfindlicher. Theoretisch sollten sich damit also Uhren konzipieren lassen, die in eine Butterbrotdose passen. "Das Problem ist, dass dazu bei den meisten Kernen extrem hohe Energien nötig sind", erklärt Stellmer. Die dazu nötigen Laser – wie sie zur Anregung von Elektronen verwendet werden – stehen derzeit noch nicht zur Verfügung.

Stellmer, Hochschullehrer der Gruppe Quantenmetrologie, ist vor einem Jahr nach Bonn gewechselt, hatte aber bereits an der TU Wien gemeinsam mit Professor Thorsten Schumm vom dortigen Atominstitut mit einem Teil der Arbeiten begonnen, die nun zu den beiden Publikationen geführt haben.

Ausgangspunkt dafür war, was der Physiker ein „Geschenk der Natur“ nennt: die Entdeckung, dass sich Kerne von Thorium-Atomen des Isotops 229 durch ähnlich geringe Energien anregen lassen wie Elektronen. Die Kerne geraten in einen Zustand, den die Wissenschaftler "Isomer" nennen. Und ähnlich wie bei einer herkömmlichen Atomuhr kann er durch Laserlicht erzeugt werden.

Das Problem: "Wir wussten bislang nicht, welche Farbe ein Laser haben muss, um diesen Zustand hervorzurufen", sagt Stellmer. Doch genau diese Frage können die nun vorgelegten Publikationen beantworten und bedienen sich dabei unterschiedlicher Verfahren.

Auch japanische Physiker sind mit im Boot

Eine Gruppe, die mit Physikern aus Japan zusammenarbeitet, hat Thorium-229-Kerne durch hochenergetische Strahlung in einen sehr energiereichen Zustand versetzt. Aus dem fielen sie in den Isomer-Zustand zurück, dessen Energie dann gemessen werden konnte. "Wir konstruieren dazu momentan die Apparatur", fügt Stellmer hinzu.

Einen anderen Ansatz verfolgten Forschungsgruppen der Universitäten Bonn, München und Heidelberg in Kooperation mit der TU Wien. Sie entwickelten eine Methode, den Kernzustand durch den Zerfall von Urankernen zu untersuchen. Dabei entstehen elektrisch geladene Thoriumionen, von denen sich zwei Prozent im Isomer-Zustand befinden. Werden sie elektrisch neutralisiert, können sie spontan in den tiefsten Kernzustand wechseln. So entsteht ein Elektron mit messbarer Energie.

Stellmer baut jetzt in Bonn eine Arbeitsgruppe auf, die sich mit hochpräzisen Messungen unter Nutzung quantenphysikalischer Phänomene beschäftigt. Denn für kleine, kaum störanfällige und extrem genaue Atomuhren gibt es enormen Bedarf; zum Beispiel an Bord von Navigationssatelliten.

Außerdem lässt sich das Gravitationsfeld der Erde mit Hilfe von Atomuhren sehr genau vermessen, etwa um die Auswirkungen des Klimawandels zu erfassen – vom Abschmelzen der Gletscher und Polkappen bis hin zu Veränderungen des Grundwasserspiegels.

Auch für die Astronomie und die Bestimmung grundlegender Eigenschaften von Elementarteilchen sind solche Uhren wichtig. Ein wichtiges Anwendungsgebiet sind zudem künftige Quantencomputer – so ist Stellmer auch in diesem "passenden" Exzellenzcluster der Universität Bonn vertreten.

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