Chinesische Forscher entwickeln Kernuhrenmodell mit rund sechsmal höherer Stabilität

Chinesische Forscher haben Fortschritte bei der Entwicklung von Kernuhren erzielt: Tests an einem von ihnen entwickelten Prototypen zeigten eine etwa sechsmal höhere Stabilität als ein Pendant eines Forschungsteams in Wien, was den Weg für hochpräzise Zeitmessinstrumente und weitergehende wissenschaftliche Anwendungen ebnen könnte.

Die Technik basiert auf Kernen von Thorium-229-Atomen statt auf den Elektronen, die in herkömmlichen Atomuhren verwendet werden, mit dem Ziel, äußere Störeinflüsse zu verringern und die Stabilität und Messgenauigkeit künftig zu verbessern.

Das von Forschern der Universität Tsinghua entwickelte Modell verwendet Kristalle, die Thorium-229-Kerne enthalten, auf die ultraviolettes Licht mittels Laser gerichtet wird. Wenn die Kerne bei einer bestimmten Frequenz reagieren, kann dieser Kernübergang als Referenz zur Festlegung der Uhrenfrequenz und zur Messung ihrer Stabilität genutzt werden.

Diese Herangehensweise unterscheidet sich von herkömmlichen Atomuhren, weil sie auf Energieübergängen innerhalb des Atomkerns selbst beruht statt auf Übergängen der umgebenden Elektronen. Wegen der geringen Ausdehnung des Kerns und der starken Bindung seiner Bestandteile hoffen Wissenschaftler, dass er weniger anfällig für äußere Störfaktoren ist.

Die Tests zeigten, dass die von zwei unabhängig hergestellten Kristallen erzeugten Signale in hohem Maße übereinstimmen, was die Möglichkeit der Reproduzierbarkeit der Experimente und die Erzielung vergleichbarer Ergebnisse bei der Herstellung neuer Kristalle stärkt, anstatt sich auf eine einzelne außergewöhnliche Probe zu stützen.

Das bedeutet jedoch nicht, dass die chinesische Kernuhr jetzt die genaueste Uhr der Welt ist: Fortgeschrittene atomare und optische Uhren übertreffen sie insgesamt weiterhin. Zur Weiterentwicklung der Technik müssen Lasersysteme verbessert, die Kristallqualität erhöht und innere Defekte reduziert werden, um Stabilität und Genauigkeit zu steigern.

Die Knappheit von Thorium-229 stellt eine zusätzliche Herausforderung dar, da sie die Möglichkeit einschränkt, wiederholte Experimente mit Kristallen unterschiedlichen Aufbaus durchzuführen. Die Kernuhr befindet sich weiterhin in der Entwicklungsphase und ist noch nicht für breite praktische Anwendungen geeignet.

Die Bedeutung von Kernuhren geht über die Zeitmessung hinaus: Sie könnten genutzt werden, um grundlegende physikalische Gesetze zu testen und nach möglichen Effekten dunkler Materie zu suchen, indem extrem kleine Änderungen in physikalischen Konstanten beobachtet werden. Ein Forschungsteam in Wien hatte seine Kernuhr bereits in einem Experiment zur Suche nach dunkler Materie eingesetzt, ohne einen Nachweis zu erbringen.

Langfristig hoffen die Forscher, kompakte Kernuhren zu entwickeln, die in satellitengestützter Navigation, hochpräzisen Messungen und der Synchronisation von Daten verwendet werden können—vorausgesetzt, die Technik erreicht deutlich höhere Stabilitäts- und Genauigkeitsniveaus, die den Übergang von Laborversuchen zu praktischen Anwendungen erlauben.