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Ziel: Genauer als die beste Atomuhr

Neues EU Fördervorhaben

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Das Forschungsprojekt 'nuClock', mit dem die Grundlagen zur Realisierung einer Atom-kern-Uhr anstelle der herkömmlichen Atomuhren gelegt werden sollen, und in dem sich 7 Universitäten und Firmen aus Deutschland, Österreich und Finnland zusammengeschlos-sen haben, wurde bei einer Erfolgsquote von unter 4% aus ueber 600 eingereichten Pro-jektvorschlägen bewilligt und wird in den kommenden 4 Jahren im Rahmen des Wissen-schaftsförderungsprogramms Horizon 2020 durch die EU mit insgesamt vier Millionen Euro gefördert. Dabei soll eine Thoriumkern-Uhr mit ihrer Genauigkeit alle heutigen Zeit-Messmethoden in den Schatten stellen.
Atomuhren sind die genauesten Messinstrumente überhaupt, sie gehen erst nach Milliar-den Jahren um eine Sekunde vor oder nach. Im Rahmen des nuClock-Projektes möchte man aber noch einen Schritt weitergehen. Mit Hilfe von Thorium-229-Kernen soll eine Atomkern-Uhr entwickelt werden, die noch deutlich präziser und gleichzeitig einfacher und robuster ist als bisherige Atomuhren. Damit ließe sich sogar untersuchen, ob be-stimmte Naturkonstanten tatsächlich konstant sind, oder sich im Lauf der Zeit minimal verändern.
Jede Uhr braucht eine möglichst konstante Schwingung, die den Takt angibt. Das kann die Schwingung eines Pendels sein, die Oszillation eines Kristalls in einer Quarzuhr – oder aber der Schwingungstakt des Lichts, das von Atomen absorbiert wird. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik können sich die Elektronen eines Atoms nur in bestimm-ten Zuständen mit bestimmter Energie befinden. Mit einem Laser, dessen Lichtfrequenz
genau zur Energiedifferenz zwischen zwei solchen Niveaus passt, lässt sich ein Elektron vom tieferen in das höhere Energieniveau anheben. Danach fällt es wieder in den ur-sprünglichen Zustand zurück und sendet wieder Licht mit derselben Frequenz aus. Mit solchen Methoden kann man den Energieunterschied zwischen zwei Quantenzuständen extrem präzise messen und damit eine Frequenz sehr genau definieren.
Die Sekunde ist heute als jene Periode definiert, in der das charakteristische Licht des Übergangs zwischen zwei Zuständen des Cäsium-Atoms genau 9.192.631.770mal schwingt. Alle bisherigen Atomuhren nutzen Übergänge in der Elektronenhülle des Atoms. Viel besser wäre es allerdings, statt der Elektronen im Atom den Atomkern selbst zu verwenden. Der Atomkern ist etwa zehntausendmal kleiner als die Elektronenhülle und viel weniger anfällig für Störungen von außen. In gewöhnlichen Atomuhren müssen die Atome aufwendig gegen äussere elektromagnetische Störfelder abgeschirmt werden, eine Atomkern-Uhr wäre hier viel robuster. Eine Atomkern-Uhr könnte relativ kompakt gebaut werden um sie dann beispielsweise in einem Satelliten ins All zu schießen, für die nächste Generation des Navigationssystems GPS.

Das Problem dabei ist allerdings, dass die Übergänge zwischen Zuständen des Atomkerns meist auf einer ganz anderen Energieskala stattfinden. Wenn Elektronen ihren Zustand ändern, entsteht typischerweise Licht im Bereich von einigen Elektronenvolt, bei Zustän-den des Atomkerns können es auch mal 100.000 oder gar 1.000.000 Elektronenvolt sein. Man braucht daher einen ganz besonderen Atomkern, der zwei Zustände aufweist, die beinahe dieselbe Energie haben.
Der beste Kandidat dafür ist Thorium-229, ein sehr seltenes Isotop, das nur künstlich hergestellt werden kann. Weniger als ein Milligramm davon steht der Wissenschaft heute weltweit zur Verfügung. Es gibt derzeit viele Hinweise darauf, dass der Kern von Thori-um-229 einen angeregten Zustand besitzt, der bloß etwa sieben Elektronenvolt oberhalb des Grundzustands liegt. Für kernphysikalische Verhältnisse ist das eine winzige Ener-giedifferenz. Die Lebensdauer dieses Zustands ist extrem lang: Erst nach tausenden Se-kunden kehrt der Atomkern vom angeregten Zustand wieder in den Grundzustand zurück – meist hat man es in der Quantenphysik mit Lebensdauern von winzigen Sekundenbruchteilen zu tun.
Quantenphysikalisch ist die Lebensdauer mit der Präzision der Messung verknüpft. Je länger der angeregte Zustand lebt, umso präziser ist die Energie der dazugehörigen Strah-lung definiert. Einerseits ist das sehr positiv: Das Licht, das dem Übergang zwischen den beiden Thorium-Kernzuständen entspricht, soll schließlich eine möglichst genau definierte Frequenz haben, damit man einen möglichst genauen Taktgeber für die Zeitmessung zur Verfügung hat. Allerdings ist damit auch ein großes Problem verbunden: Ebenso genau muss man nämlich die richtige Frequenz treffen, um den Übergang überhaupt zu finden. Es ist die sprichwörtliche Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Man muss den Thoriumkern mit genau der richtigen Lichtfrequenz bestrahlen, dann absorbiert er die Strahlung, geht in den etwas höheren Energiezustand über, wechselt dann ein paar tau-send Sekunden später wieder in den ursprünglichen Zustand zurück und sendet dabei wieder Licht aus, das wir messen können. Doch wegen der extrem hohen Genauigkeit, die man hier braucht, ist es sehr schwierig, den Übergang tatsächlich zu finden und seine exakte Frequenz zu bestimmen. Jede mögliche Frequenz auszuprobieren würde unüber-schaubar
lange dauern, daher arbeitet die Projektteams im Rahmen von "nuClock" an verschiede-nen Möglichkeiten, der exakten Thoriumkern-Frequenz auf die Spur zu kommen.
Hier liegt auch der Aufgabenbereich des LMU-Teams um PD Peter Thirolf, Lars von der Wense und Benedict Seiferle. Mittels einer nur an wenigen Orten weltweit verfügbaren sog. Puffergas-Stoppzelle werden die zu untersuchenden 229Th-Kerne aus dem Alpha-Zerfall einer 233U-Quelle mit etwa 2% Wahrscheinlichkeit im angeregten Kernzustand erzeugt. Die 229Th-Kerne werden dann durch einen Überschall-Gasjet aus der Stoppzelle extrahiert, durch einen Massenseparator von begleitenden weiteren Zerfallsprodukten ge-trennt und auf einer Mikro-Elektrode gesammelt, bevor schliesslich in einem für den er-warteten UV-Wellenlängenbereich optimierten optischen Aufbau aus zwei Parabolspie-geln und nachfolgendem Detektionssystem nach der Abregung des angeregten Kernzu-stands gesucht und seine Energie bestimmt werden kann.
Wenn die Atomkern-Uhr erst funktioniert, wird es viele spannende Anwendungsmög-lichkeiten geben. Man wird damit nicht nur Zeit messen, man möchte auch überprüfen, ob die grundlegenden Konstanten der Physik wirklich konstant sind. Es gibt Theorien, die nahelegen, dass sich gewisse physikalische Größen, wie etwa die Stärke der elektromag-netischen Wechselwirkung, im Lauf der Zeit langsam verändern. Wenn sich herausstellt, dass sich die Naturkräfte über Milliarden Jahren wandeln, dann würde das unser Ver-ständnis vom frühen Universum völlig umkrempeln. Atomkern-Uhren wären so empfind-lich, dass man solche Veränderungen, sollte es sie tatsächlich geben, bereits im Lauf ei-niger Jahre messen könnte.
Die Entwicklung der Atomkern-Uhr ist eine hochkomplexe Aufgabe, sie benötigt die bes-ten experimentellen Techniken, Detektoren und Laser aus ganz unterschiedlichen For-schungsbereichen. Im Projekt „nuClock“, das von der TU Wien koordiniert wird, sind in den nächsten vier Jahren nun im Rahmen der FET-Open-Ausschreibung der EU die PTB in Braunschweig, die LMU München, das MPQ in München und das MPIK in Heidel-berg, dazu noch das Kirchhoff-Institut für Physik in Heidelberg und die Firma Toptica Photonics mit an Bord.

Kontakt:

PD P. Thirolf
LS Medizinische Physik
Peter.Thirolf@lmu.de