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19.04.2018 | Naturwissenschaftliche Grundlagen | Im Fokus | Onlineartikel

Von der Atomuhr zur Kernuhr

Autor:
Dieter Beste
3 Min. Lesedauer

Wissenschaftler aus Braunschweig, München, Darmstadt und Mainz berichten aktuell in "Nature" über einen Weg, eine Laseranregung des Thorium-229-Atomkerns zu kontrollieren und somit eine optische Kernuhr zu realisieren, die genauer tickt als heutige Atomuhren.

Der Atomkern des Thorium-Isotops 229 (229Th) besitzt eine unter allen bekannten Nukliden einmalige Eigenschaft: Es sollte möglich sein, ihn mit ultraviolettem Licht anzuregen. Über den dafür verantwortlichen niederenergetischen Zustand des 229Th-Kerns war bisher nur wenig bekannt. Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben zusammen mit Kollegen aus München und Mainz nun erstmals mit optischen Methoden einige wichtige Eigenschaften wie die Form der Ladungsverteilung dieses Kernzustands gemessen. Damit bietet sich ein Weg, eine Laseranregung des Atomkerns zu kontrollieren und schließlich eine optische Kernuhr zu realisieren, die genauer sein wird als heutige Atomuhren. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler aktuell in der Zeitschrift Nature.

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Physikalische Größen und Messungen

Im ersten Kapitel des Buches geht es ganz allgemein um physikalische Größen und ihre Einheiten. Des Weiteren wird erklärt, wie man bei der Messung einer physikalischen Größe mit den Messwerten umgeht, insbesondere wie man Messfehler behandelt.


Gegenwärtig lässt sich absolute Zeit nur über eine Atomuhr bestimmen, welche ihrerseits auf der Basis astrophysikalischer Abläufe eingestellt wird. "Um diesen Referenzwert zugänglich zu machen, erfolgt die Verbreitung durch Zeitzeichensender, welche Zeitmarken senden – beispielsweise Sekundenimpulse – sowie absolute Zeitinformationen in codierter Form", erläutern die Springer Autoren Ekbert Hering und Gert Schönfelder in "Sensoren in Wissenschaft und Technik". Mit diesen Signalen lassen sich Zeit- und Frequenzreferenzen lokal abgleichen. Man erhält dadurch zumindest eine Referenz mit einer hohen relativen Genauigkeit.

"Die Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nukleids 133Cs entsprechenden Strahlung. Die Zeit hat als Formelzeichen t und die Einheit Sekunde [s]. Die relative Messunsicherheit beträgt 10–14. Wegen dieser hohen Mess-Sicherheit ist die Zeit für viele Messverfahren die entscheidende Bezugsgröße." Ekbert Hering und Gert Schönfelder, Sensoren in Wissenschaft und Technik, Seite 343.

Neuer Taktgeber soll Übergangsfrequenz im Atomkern sein

Schon vor etwa 15 Jahren erarbeiteten Ekkehard Peik und Christian Tamm an der PTB in Braunschweig das Konzept einer neuen Atomuhr mit einzigartigen Eigenschaften: Taktgeber der Uhr soll demnach nicht eine Übergangsfrequenz zwischen zwei Zuständen in der Elektronenhülle sein, wie es bei allen heutigen Atomuhren der Fall ist, sondern eine Übergangsfrequenz im Atomkern. Denn die Protonen und Neutronen im Atomkern sind um viele Größenordnungen dichter gepackt und fester gebunden als die Elektronen in der Atomhülle und reagieren deshalb weniger empfindlich auf äußere Störungen, die ihre Übergangsfrequenzen ändern könnten; gute Bedingungen also für eine Uhr von hoher Genauigkeit.

Normalerweise liegen die Frequenzen von Kernübergängen dafür aber auch viel höher als diejenigen von Hüllenübergängen – im Bereich von Röntgenstrahlung –, und sie sind daher für Atomuhren, die bisher ausschließlich auf Mikrowellen oder Laserlicht basieren, nicht nutzbar. Die einzige bekannte Ausnahme, und Grundlage des PTB-Vorschlags, ist der Kern des Thorium-229-Isotops. Dieser besitzt einen quasi-stabilen, isomeren Kernzustand bei außerordentlich geringer Anregungsenergie. Damit existiert ein Übergang zwischen dem Grundzustand und diesem Isomer, der im Frequenzbereich von ultraviolettem Licht liegt – noch erreichbar mit Lasertechnik, wie sie ähnlich in heutigen optischen Atomuhren verwendet wird.

Suche nach der optischen Resonanzfrequenz des 229Th-Kerns

Den Wissenschaftlern der Forschungskooperation, der neben PTB- auch Kollegen der LMU-München, der Universität Mainz, des Helmholtz-Instituts Mainz und des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung Darmstadt angehören, ist jetzt ein entscheidender Schritt gelungen: Erstmals konnten grundlegende Eigenschaften wie Größe und Form der Ladungsverteilung im angeregten Zustand des 229Th-Kerns gemessen werden. Die Suche nach der nutzbaren optischen Resonanzfrequenz des 229Th-Kerns sei damit freilich noch nicht abgeschlossen – aber man sei der optischen Kernuhr einen guten Schritt nähergekommen.

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