Ein internationales Forscherteam hat einen entscheidenden Schritt hin zu einer neuen Generation genauerer Atomuhren gemacht. Am Röntgenlaser European Das Team präsentierte seine Ergebnisse am 27. September in der Fachzeitschrift Nature.
Künstlerische Darstellung einer Scandium-Kernuhr: Wissenschaftler nutzten Röntgenimpulse des European XFEL, um einen Prozess im Scandium-Kern anzuregen, der ein Uhrensignal mit einer beispiellosen Genauigkeit von einer Sekunde in 300 Milliarden Jahren erzeugt. Quelle: European XFEL/Helmholtz-Institut Jena, Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger
Aktuelle Atomuhrwerke
Atomuhren sind derzeit die genauesten Zeitmesser der Welt. Diese Uhren nutzen Elektronen in Atomschichten chemischer Elemente wie Cäsium als Impulsgeneratoren zur Bestimmung der Zeit. Diese Elektronen können mithilfe von Mikrowellen bekannter Frequenz auf höhere Energieniveaus gebracht werden. Dabei absorbieren sie Mikrowellenstrahlung.
Die Atomuhr sendet Mikrowellen an Cäsiumatome aus und passt die Frequenz der Strahlung an, um die Absorption der Mikrowellen zu maximieren. Experten nennen das Resonanz. Die Quarzoszillatoren, die Mikrowellen erzeugen, können mit Hilfe der Resonanz stabilisiert werden, sodass Cäsiumuhren 300 Millionen Jahre lang auf eine Sekunde genau gehen.
Entscheidend für die Genauigkeit einer Atomuhr ist die Breite der verwendeten Resonanz. Aktuelle Cäsium-Atomuhren nutzen bereits sehr schmale Resonanzen; Strontium-Atomuhren sind sogar noch genauer, mit einer Genauigkeit von nur einer Sekunde alle 15 Milliarden Jahre. Weitere Verbesserungen sind mit dieser elektronischen Anregungsmethode kaum zu erreichen. Daher arbeiten Teams auf der ganzen Welt seit Jahren an dem Konzept „nuklearer“ Uhren, die statt Übergängen in Atomhüllen Übergänge in Atomkernen als Impulsgeneratoren nutzen. Kernresonanzen sind viel heftiger als die Resonanzen von Elektronen in Atomhüllen, aber auch schwieriger anzuregen.
Scandium brachte den Durchbruch
Am European XFEL kann das Team nun vielversprechende Transformationen in den Kernen des Elements Scandium anstoßen, das in Form hochreiner Metallfolien oder der Verbindung Scandiumdioxid leicht verfügbar ist. Diese Resonanz erfordert Röntgenstrahlen mit einer Energie von 12,4 keV (etwa das 10.000-fache der Energie des sichtbaren Lichts) und einer Breite von nur 1,4 Femtoelektronenvolt (feV). Das sind 1,4 Billionstel Elektronenvolt, etwa ein Zehntel der Anregungsenergie (10-19). Dadurch ist eine Genauigkeit von 1:10.000.000.000.000 möglich.
„Das entspricht einer Sekunde in 300 Milliarden Jahren“, sagte DESY-Forscher Ralf Röhlsberger, der am Helmholtz-Institut in Jena arbeitet, einer gemeinsamen Einrichtung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung, des Helmholtz Zentrums Dresden-Rosendorf (HZDR) und des Helmholtz Zentrums. .
Anwendungen und Zukunftspotenziale
Atomuhren haben viele Anwendungen, die von einer höheren Genauigkeit profitieren, beispielsweise die präzise Positionierung mithilfe der Satellitennavigation. „Das wissenschaftliche Potenzial der Scandiumresonanz wurde vor mehr als 30 Jahren entdeckt“, berichtete Yuri Shvyd’ko, Projektleiter des Experiments und des Argonne National Laboratory in den Vereinigten Staaten. „Bisher war jedoch keine Röntgenquelle in der Lage, Licht innerhalb der schmalen 1,4feV-Linie von Scandium hell genug zu emittieren“, sagte Anders Madsen, Chefwissenschaftler der europäischen XFELMID-Experimentierstation, an der das Experiment durchgeführt wurde. „Erst Röntgenlaser wie der European XFEL haben diese Situation geändert.“
In diesem bahnbrechenden Experiment beleuchtete das Team eine 0,025 mm dicke Scandiumfolie mit einem Röntgenlaser und konnte das charakteristische Nachleuchten angeregter Kerne erkennen, ein klarer Beweis für die extrem schmalen Resonanzlinien von Scandium.
Wichtig für den Bau von Atomuhren ist auch die genaue Kenntnis der Resonanzenergie, also der Energie der Röntgenlaserstrahlung, bei der die Resonanz auftritt. Dank fortschrittlicher extremer Rauschunterdrückung und hochauflösender Kristalloptik konnte der Scandium-Resonanzenergiewert im Experiment auf fünf Dezimalstellen genau bei 12,38959 keV bestimmt werden, was 250-mal genauer ist als zuvor.
Jörg Evers, Leiter der Datenanalyse am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, betont: „Die genaue Bestimmung der Übergangsenergie stellt einen großen Fortschritt dar. Eine genaue Kenntnis dieser Energie ist entscheidend für die Realisierung scandiumbasierter Atomuhren.“
Die Forscher untersuchen nun weitere Schritte zur Realisierung einer solchen nuklearen Uhr. Shvyd’ko erklärt: „Durchbrüche bei der Anregung der Scandiumresonanz und der präzisen Messung ihrer Energie eröffnen neue Wege nicht nur für Kernuhren, sondern auch für die hochpräzise Spektroskopie und die präzise Messung grundlegender physikalischer Effekte.“
Olga Kocharovskaya von der Texas A&M University, USA, Initiatorin und Leiterin des von der National Science Foundation finanzierten Projekts, fügte hinzu: „Eine solch hohe Genauigkeit könnte beispielsweise die Erkennung der gravitativen Zeitdilatation in Submillimeterabständen ermöglichen. Dies würde helfen, relativistische Effekte auf bisher unerreichbaren Längenskalen zu untersuchen.“