Zusammenfassung:
Forscher der Technischen Universität Wien und der Bundesanstalt für Physik und Technik veröffentlichten experimentelle Ergebnisse in Nature und demonstrierten den ersten Atomuhr-Prototyp, der die Laserfrequenz mithilfe seines eigenen Kernübergangssignals automatisch korrigieren kann. Es nutzt den Energieniveauübergang des Thorium-229-Atomkerns als Timing-Benchmark und das Versuchsgerät läuft seit mehr als 24 Stunden stabil ohne manuelle Eingriffe. Allerdings ist der „eine Sekunde Unterschied in 30 Millionen Jahren“ im Bericht eine Bildumrechnung des Genauigkeitsindex. Dies bedeutet nicht, dass die Uhr seit mehreren zehn Millionen Jahren gemessen wurde, und es bedeutet auch nicht, dass dieses Gerät das derzeit höchste verfügbare Niveau erreicht hat.
Herkömmliche Atomuhren nutzen normalerweise die Energieniveauübergänge von Elektronen in der äußeren Atomschicht, um die Zeit zu messen. Kernuhren platzieren das Referenzsignal im Inneren des Kerns. Thorium-229 weist einen niederenergetischen Kernübergang von etwa 8,4 Elektronenvolt auf, der durch einen Vakuum-Ultraviolett-Laser mit einer Wellenlänge von etwa 148 Nanometern angeregt werden kann. Das Forschungsteam bettete Thoriumionen in millimetergroße Calciumfluoridkristalle ein, bestrahlte sie bei Raumtemperatur mit kontinuierlichem Laserlicht und maß die Absorption des Laserlichts durch den Kristall, um festzustellen, ob die Frequenz vom Resonanzpunkt abwich, und nutzte dann eine Rückkopplungsschleife, um das Laserlicht automatisch anzupassen. Änderungen im Kernübergangsabsorptionssignal können in kürzerer Zeit erkannt werden, wodurch die bisherigen Schwierigkeiten, die mit der Fluoreszenzauslesung und der langsamen Rückkopplung verbunden waren, überwunden werden.
Das Team sagte, dass der potenzielle Vorteil dieser Lösung darin besteht, dass der Atomkern viel kleiner ist als das Atom als Ganzes und theoretisch weniger anfällig für äußere Störungen; In Zukunft sollen Kernuhren einen robusteren Frequenz-Benchmark erreichen und zur präzisen Messung und Prüfung grundlegender physikalischer Gesetze eingesetzt werden. Allerdings ist die gemessene Leistung des aktuellen Prototyps noch lange nicht besser als die der fortschrittlichsten optischen Atomuhren. Das Papier berichtet, dass die Teilfrequenzinstabilität in einem einzelnen kontinuierlichen Betrieb in der niedrigen Größenordnung von 10⁻¹⁴ liegt und die Frequenzreproduzierbarkeit zwischen Betrieben zu unterschiedlichen Zeitpunkten etwa 5×10⁻¹³ beträgt. Nach intuitiver Umrechnung der Papierergebnisse geht die American Physical Society davon aus, dass die gemessene Instabilität der Wiener Uhr ungefähr einem Fehler von einer Sekunde alle 3 Millionen Jahre entspricht. Die Technische Universität Wien schätzt sie mit einem Indikator nahe 10⁻¹⁵ auf etwa 30 Millionen Jahre pro Sekunde. Die den beiden Konvertierungen entsprechenden Indikatoren und Betriebsbedingungen sind nicht genau gleich, daher sollte „eine Sekunde in 30 Millionen Jahren“ nicht als nachgewiesene absolute Genauigkeit oder direkt gleichwertig mit der besten Atomuhr angesehen werden.
Das Forschungsteam hat diesen Satz nuklearer Uhren verwendet, um nach Veränderungen in der nuklearen Übergangsenergie zu suchen, die durch ultraleichte dunkle Materie verursacht werden könnten. Auf der Beobachtungszeitskala von 20 Sekunden bis zu einem Tag wurde kein signifikantes Signal gefunden, die daraus abgeleiteten Grenzwerte können aber mit manchen Atomuhr-Experimenten mithalten. In derselben Ausgabe von „Nature“ wurde auch ein weiterer Satz von Thorium-229-Atomuhren veröffentlicht, die unabhängig von einem Team der Tsinghua-Universität entwickelt wurden. Dies zeigt, dass sich diese Richtung von der Messung des nuklearen Übergangsspektrums hin zu tatsächlichen Zeitmessgeräten entwickelt. Bei den beiden Prototypen handelt es sich immer noch um Präzisions-Versuchsgeräte, und spätere Verbesserungen erfordern stärkere Vakuum-Ultraviolett-Laser, stabilere und gleichmäßigere Kristalle und eine bessere Frequenzreproduzierbarkeit über Chargen hinweg.
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