Am Kern der Zeit

Von der Atomuhr zur Kernuhr

Deshalb wird schon lange an immer noch besseren Atomuhren geforscht. Auf diesem Weg sind Verbesserungen aber nur noch schrittweise möglich. Das hängt unter anderem damit zusammen, dass Atome zwar sehr klein sind und dennoch empfindlich auf ihre Umgebung reagieren können. „Bei einer Atomuhr zählen wir sozusagen die Schwingungen von Elektronen in der Atomhülle“, sagt Röhlsberger. „Aber die Elektronen werden durchaus von externen Magnetfeldern oder elektrischen Feldern oder durch thermisches Rauschen gestört.“

Bei normalen Physik-Experimenten fällt das nicht weiter auf. Doch bei ultrapräzisen Atomuhren machen sich solche Effekte bemerkbar. Man kann zwar versuchen, möglichst alle Störfaktoren abzuschirmen, aber ganz perfekt wird es nie gelingen.

Deshalb wird schon seit längerer Zeit erwogen, nicht die Schwingungen von Elektronen in der Atomhülle zu nutzen, sondern die Schwingung eines Atomkerns – also statt einer Atomuhr eine Kernuhr zu bauen. „Das bringt zwei gewichtige Vorteile mit sich, allerdings ebenso große Schwierigkeiten“, sagt der Physiker.

Der wichtigste Vorteil liegt darin, dass ein Atomkern sehr viel kleiner ist als die Elektronenhülle, in der er steckt. Die Atomhülle, in der die Elektronen umherschwirren, hat eine Ausdehnung von etwas unter einem Milliardstel Meter. Ein Atomkern ist ungefähr um den Faktor 100.000 kleiner.

Während die Elektronen in der Hülle gleichsam Antennen sind, die störende elektromagnetische Schwingungen auffangen können, ist der Atomkern dagegen nahezu immun. „Ein Atomkern ist ein weitgehend geschlossenes System“, sagt Röhlsberger.

Die Protonen und Neutronen, die im Atomkern miteinander schwingen, sind durch enorme Kräfte aneinander gebunden, die weitaus größer sind als alle externen Störfaktoren. Für die Metrologie, also für die Zeitmessung, ist das eine sehr wünschenswerte Eigenschaft.

Der zweite große Vorteil von Atomkernen liegt darin, dass sie extrem scharf definierte Schwingungsmodi besitzen. Wenn man sie „anschubst“, dann schwingen sie mit einer extrem stabilen Frequenz. Auch das ist ein Traum für Metrologen – und eine riesige Motivation, endlich eine sogenannte Kernuhr zu bauen. Man kann ausrechnen, dass sich damit eine fabelhafte Präzision bei der Zeitmessung erzielen ließe: Eine gut laufende Kernuhr könnte in 300 Milliarden Jahren nur eine Sekunde falsch liegen. Das ist mehr als das zwanzigfache Alter unseres Universums!

„Es gibt nun leider einige sehr grundlegende physikalische Gründe, warum der Weg zu einer Kernuhr ziemlich steinig ist und warum der Bau einer solchen Uhr noch ein paar Jahre auf sich warten lassen dürfte“, erläutert Röhlsberger.

Ein Problem liegt in der hohen Anregungsenergie, die nötig ist, um einen Atomkern in Schwingung zu versetzen. Die Elektronen in der Atomhülle kann man – je nachdem, welches Elektron in welchem Atom man zu welcher Schwingung anregt – mit Mikrowellen oder auch mit Laserstrahlen in Bewegung bringen. Sie geben die aufgenommene Energie dann in derselben Wellenlänge wieder ab. Eine Atomuhr funktioniert so, dass man zunächst bestimmte Atome in einem Mikrowellen- oder Laserresonator zum Schwingen anregt. Dann zählt man die Schwingungen. Wenn man die Frequenz genau kennt, kann man die vergangene Zeit hochgenau bestimmen.

Zwei Kandidaten

Bei einer Kernuhr reichen die herkömmlichen Anregungsmethoden aber nicht aus. Atomkerne schwingen üblicherweise derart rasant, dass sie hochenergetische Gammastrahlung aussenden. Dafür existiert keine reguläre, stabile Anregungsquelle.

Es gibt unter allen bekannten Atomkernen nur ganz wenige Ausnahmen, die bei geringerer Energie schwingen können: Die Isotope Scandium-45 und Thorium-229 haben jeweils einen niederenergetischen Schwingungsmodus, mit dem sich im Prinzip eine Kernuhr bauen ließe. Allerdings ist die Energie dieser beiden Kernanregungen immer noch deutlich höher als bei den optischen Atomuhren: Bei Thorium-229 liegt sie im sogenannten Vakuum-Ultraviolett – also nahe am extremen Ultraviolett. Bei Scandium-45 liegt sogar noch darüber: im Röntgenbereich.

„Thorium-229 lässt sich im Prinzip mit einem hochgezüchteten Lasersystem anregen“, sagt Peter Thirolf, Professor an der Universität München. „Das ist unser Ziel für die Zukunft.“ Die Versuche mit dem Scandium-45 werden von Yuri Shvyd’ko am Argonne National Laboratory in den USA geleitet und in einer internationalen Kooperation betrieben, zu der auch Röhlsbergers Gruppe in Jena gehört.

„Im Gegensatz zum Ultraviolett-Laser für das Thorium-229 braucht man beim Scandium-45 einen Röntgenlaser, und der existiert im Labormaßstab nicht“, ergänzt Röhlsberger.

Es gibt jedoch einen ganz besonderen Röntgenlaser, den stärksten weltweit, der für diese Aufgabe geeignet ist. „Es ist der European XFEL in Hamburg“, freut sich der Forscher über die einzigartigen Experimentiergelegenheiten in der Hansestadt. Allerdings ist der European XFEL eine riesige Forschungsanlage, bei der ein großer Teilchenbeschleuniger über spezielle Magnetsysteme hochbrillante Röntgenlaserpulse erzeugt. Eine solche Kernuhr könnte man also nicht im Labormaßstab aufbauen, sondern nur als Anbau an einem großen Röntgenlaser.

Die richtige Frequenz

„Der Vorteil von Thorium-229 ist, dass man eine solche Kernuhr stattdessen in einem eigens dafür gebauten Labor realisieren könnte“, sagt Thirolf. „Aber im Prinzip eignen sich beide Atomkerne für eine Kernuhr.“ Bei beiden Isotopen muss man freilich eine große Hürde aus dem Weg räumen, bevor man an den Bau einer Scandium- oder Thorium-Kernuhr denken kann: Bislang ist die Schwingungsfrequenz der Kernanregung nur ungefähr bekannt. „Schließlich lässt sich eine derart hohe Frequenz, die jenseits der herkömmlichen Messtechnik liegt, nicht einfach bestimmen“, schildert Thirolf die Situation.

In dieser Angelegenheit haben beide Teams in letzter Zeit allerdings große Fortschritte gemacht: Sowohl beim Scandium-45 als auch beim Thorium-229 konnten sie die gesuchte Frequenz bei neuen Versuchen wesentlich schärfer eingrenzen. Der Aufwand dafür war enorm: „Wir mussten erst einmal die richtige Messtechnik entwickeln, um schließlich unsere Untersuchungsreihe starten zu können“, sagt Röhlsberger.

Dazu haben die Forscher eine Apparatur entwickelt, mit der sie eine rund 25 Mikrometer dünne Scandium-Folie in den Strahl des Hamburger Röntgenlasers schoben. „Dann wurde die Probe einige Zentimeter aus dem Strahl herausgefahren, und wir konnten das schwache Nachleuchten messen“, berichtet Röhlsberger. Dieses Nachleuchten war nur sichtbar, weil der European XFEL eine so enorme Leistung hat – andernfalls wäre es viel zu schwach gewesen. Die Energie des gesuchten Kernübergangs lag bei knapp 12,4 Kiloelektronenvolt – bei einer Energie rund 10.000-fach höher als von sichtbarem Licht und entsprechend schnellerer Schwingung.

Auch das Team um Thirolf konnte die gesuchte Kernanregung wesentlich besser eingrenzen und charakterisieren. Die Versuche hierzu fanden am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf statt.

„Wir haben zunächst Thorium-229-Atomkerne mit einem Ionenstrahl in einen Kristall implantiert, nachdem diese Atomkerne über einen radioaktiven Zerfall entstanden waren“, berichtet Peter Thirolf. „Dann haben wir die ausgesandten Photonen mit einem speziellen Spektrometer nach ihrer Wellenlänge getrennt und mit einem Vakuum-Ultraviolett-tauglichen Photonenvervielfacher-Detektor vermessen.“

Die Energie dieses Kernübergangs beträgt rund 8,3 Elektronenvolt und ist damit leichter zugänglich als der im Röntgenbereich liegende Übergang des Scandiums. „Für eine Scandium-Kernuhr hingegen bräuchte man idealerweise einen neuartigen Typ von Röntgenlaser“, sagt Röhlsberger. Die Konzepte dafür gibt es jedenfalls schon. Für das Thorium sind Lasersysteme zur Anregung des Kernübergangs in München bereits in der Entwicklung.

Nun treiben die Forschungsgruppen ihre Arbeit mit neuem Schwung voran. Bestenfalls gibt es in einigen Jahren nicht nur einen, sondern sogar zwei Typen von Kernuhren. Im Jahr 2030 soll schließlich die Sekunde neu definiert werden. Vielleicht haben wir dann statt der Atomzeit eine Kernzeit.