Wissenschaftler zerschneiden die Zeit in beispiellose Details. Kürzlich haben zwei internationale Forschungsteams im Labor eine neue „Kernuhr“ konstruiert, die die hochfrequente Schwingung des Thorium-229-Atomkerns zur Zeitmessung nutzt. Sie gilt als wichtiger Meilenstein der Zeitmesstechnik.
Vom Zählen über die Beobachtung der Schwingung eines Pendels bis hin zur Nutzung der piezoelektrischen Schwingung, die Quarzkristalle unter Einwirkung eines elektrischen Feldes erzeugen, haben Menschen eine Vielzahl von Methoden zur Zeitmessung erfunden, und ihre Genauigkeit wird ständig verbessert. Seit mehr als siebzig Jahren sind Atomuhren der „Goldstandard“ für die Zeitmessung und basieren auf der Häufigkeit der Übergänge der Elektronen des Cäsiumatoms zwischen verschiedenen Umlaufbahnen.
Allerdings sind Elektronen nicht der einzige Teil eines Atoms, der regelmäßig schwingt. Auch der Atomkern selbst unterliegt ähnlichen „Oszillationen“ zwischen verschiedenen Energieniveaus, und die Oszillationen entsprechen höherer Energie und schnellerer Frequenz, was bedeutet, dass mehr „Ticks“ in die Zeiteinheit gepackt werden können, wodurch theoretisch eine höhere Zeitauflösung als bei herkömmlichen Atomuhren erreicht wird.
Bereits 2003 erkannten Forscher, dass die hypothetische „Kernübergangsfrequenz“ eines bestimmten Thoriumisotops in den Bereich fallen könnte, den moderne Lasertechnologie abdecken kann, sodass es angeregt und zur Zeitmessung genutzt werden kann. Danach verbrachten sie 13 Jahre damit, dieses Phänomen endlich in Experimenten zu beobachten, und weitere 12 Jahre damit, die erforderliche spezifische Wellenlänge des ultravioletten Lichts genauer zu messen und Schlüsselparameter für den Aufbau einer wirklich brauchbaren „Kernuhr“ vorzubereiten.
Die eigentliche Schwierigkeit entsteht auf der Ebene der technischen Umsetzung: Um dieses tiefviolette Licht, das von Gasen leicht absorbiert wird, in die Atmosphäre zu übertragen, muss eine feste Umgebung gefunden werden, die sowohl den Thorium-229-Kern fest bindet als auch die Lichtbestrahlung erleichtert. In den letzten beiden experimentellen Arbeiten entschieden sich ein Team unter der Leitung von Luca Toscani de Cole, einem Forscher am Wiener Zentrum für Quantenwissenschaft und -technologie, und ein Team unter der Leitung von Huang Beichen, einem Physiker an der Tsinghua-Universität, beide für die Einkapselung von Thorium-229-Kernen in Calciumfluoridkristallen und überschritten damit erfolgreich diese technologische Schwelle.
Um die verbleibenden experimentellen Herausforderungen zu meistern, verfolgten die beiden Teams unterschiedliche Strategien: Huang Beichens Team verbesserte die Anregungseffizienz durch eine Erhöhung der Leistung des ultravioletten Lasers, während sich das Team von Toscani de Cole dafür entschied, die Konzentration des Thorium-229-Isotops im Kristall zu erhöhen, um die Signalintensität zu erhöhen. Beide Wege führten schließlich zu funktionsfähigen Atomuhr-Prototypen, die reale Beweise dafür lieferten, dass die Schwankung des Kernenergieniveaus zu einem praktischen Zeitmessgerät wurde.
Derzeit kann die fortschrittlichste Ionen-Atomuhr der Menschheit die Zeitgenauigkeit auf 19 Dezimalstellen steigern, was bedeutet, dass ihre kumulativen Fehler auf der Skala des Alters des Universums immer noch äußerst gering sind. Theoretische Untersuchungen zeigen, dass Kernuhren, die auf dem Kernübergang von Thorium-229 basieren, voraussichtlich einen Schritt über dieses Niveau hinausgehen und die Zeit detaillierter unterteilen werden.
Je feiner die Zeitscheiben sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass Wissenschaftler extrem schwache Effekte entdecken, wie etwa die subtilen Effekte, die Schwerkraft und Beschleunigung auf das Gefüge der Raumzeit ausüben. Ultrahochpräzise Uhren sind nicht nur ein leistungsstarkes Werkzeug zur Überprüfung von Theorien wie der Allgemeinen Relativitätstheorie, sondern bieten auch neue Werkzeuge zum Auffinden möglicher Fehler im Standardmodell in extrem kleinen Maßstäben.
Um die Leistung des neuen Geräts zu testen, nutzte das Team von Toscani de Cole auch die Kernuhr, um nach Anzeichen massearmer Dunkler Materie zu suchen, in der Hoffnung, durch ungewöhnlich kleine Änderungen der Zeitfrequenz Hinweise auf die Wechselwirkung zwischen Dunkler Materie und gewöhnlicher Materie zu gewinnen. Wenn solche Experimente erfolgreich sind, wird erwartet, dass sie wichtige Hinweise zur Erklärung der etwa 85 % der Massenkomponenten im Universum liefern, die noch nicht direkt nachgewiesen wurden.
Derzeit werden beide Ergebnisse in Form von Preprints auf der arXiv-Plattform veröffentlicht und die experimentellen Details und Daten offengelegt. Es ist absehbar, dass Kernuhren mit der Weiterentwicklung verwandter Technologien neue Anwendungsbereiche in den Bereichen physikalische Grundlagenforschung, Navigationssysteme, Erdschwerefeldmessungen und sogar hochpräzise Kommunikation eröffnen und die Fähigkeit des Menschen, Zeit zu erfassen, um eine weitere „ultimative Stoppuhr“ erweitern werden.
Verglichen mit der Sekundenzählung in „Mississippi“ bringen uns diese Uhren der neuen Generation, die Atomkerne als „oszillierende Zeiger“ verwenden, der perfekten Zeitmessung offensichtlich einen Schritt näher.