Bisher bilden Atomuhren auf Basis von Cäsium-, Strontium- oder Ytterbium-Atomen die Basis unserer Zeitmessung. In ihnen geben Quantensprünge von Elektronen in den Atomhüllen den Takt vor. Die für diesen Zustandswechsel nötige Frequenz bildet das „Ticken“ der Uhr. Eine erst kürzlich vorgestellte Lutetium-Atomuhr könnte 260 Milliarden Jahre laufen, ohne eine Sekunde falsch zu gehen.
Doch es ginge noch besser – mit einer Atomkernuhr. Denn auch die Protonen und Neutronen im Atomkern können verschiedene Energiezustände einnehmen. Die Übergänge im Atomkern sind robuster gegen Störungen und reagieren auf höherfrequente Strahlung als bei gängigen Atomuhren, entsprechend genauer wäre die Uhr. Voraussetzung ist jedoch ein Element, dessen Kern einen geeigneten Anregungszustand aufweist. Dieser sollte scharf abgegrenzt und durch wenig Energiezufuhr erzeugbar sein – letzteres ist bei den Energieübergängen von Atomkernen extrem selten.
Wie Atomkerne „ticken“
Fündig wurden Physiker schließlich bei dem radioaktiven Isotop Thorium-229. Dessen Atomkern besitzt einen mittels Laser anregbaren Energieübergang bei nur 8,4 Elektronenvolt. Um die Thoriumkerne für eine Kernuhr nutzbar zu machen, entwickelte ein Team um Thorsten Schumm von der Technischen Universität Wien vor einigen Jahren eine Methode, durch die Thoriumkerne in stabile Calciumfluorid-Kristalle eingebettet werden. Dabei entsteht ein robuster, thoriumreicher Messkristall, der dann mit Laser angeregt werden kann.
Der Uhrenkristall aus thoriumdotiertem Calciumfluorid im Laserstrahl. — © TU Wien
Weil die Thoriumkerne nur dann ihren Zustand wechseln, wenn der Messlaser genau die richtige Frequenz und Energie trifft, bleibt die Uhr im Takt. „Der Laser verändert den Energiezustand der Atomkerne und die Atomkerne wiederum stabilisieren die Laserfrequenz“, erklärt Schumm. Dadurch stabilisiert sich die Atomkernuhr selbst. Die Laserfrequenz ist dann der Wert, der das „Ticken“ für die Zeitmessung liefert. Voraussetzung dafür ist allerdings ein geeigneter Laser.
UV-Festkörperlaser macht die Kernuhr komplett
Diesen Messlaser für die Thorium-Atomkernuhr haben Schumm und sein Team entwickelt und nun erstmals in einer solchen Uhr eingesetzt. Dafür war einiges an Vorarbeit nötig, wie Co-Autor Ekkehard Peik von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig berichtet: „Unser zunächst genutztes Lasersystem lief nur im gepulsten Betrieb und benötigte eine Fläche von mehreren Quadratmetern.“ Die Laserfrequenz konnte dabei nur in minutenlangen Bestrahlungspausen mittels Fluoreszenz gemessen werden.
Für eine präzise Zeitmessung war das nicht praktikabel: „Dies ist zu langsam, um damit die Frequenz des Lasers auf die Kernresonanz stabilisieren zu können, wie es für den Betrieb als optische Uhr notwendig ist“, erklärt Peik. Ende 2025 gelang dann der Durchbruch: Die Physiker entwickelten einen UV-Festkörperlaser, der einen stabilen, kontinuierlichen Strahl von 148 Nanometern Wellenlänge erzeugt – dies entspricht der Frequenz, die den Zustandswechsel des Thoriumkerns auslöst.
Anders als beim Pulslaser lässt sich das „Ticken“ dieser Uhr direkt aus der Absorption des Laserlichts ablesen: Je höher die Absorption, desto genauer trifft die Laserfrequenz die Übergangsenergie.
Die erste Thorium-Atomkernuhr im Praxistest
Damit haben die Physiker eine sich selbstregulierende Atomkernuhr konstruiert - die erste Atomkernuhr hat zu ticken begonnen. Sie ist die erste Uhr, die auf Zustandsübergängen von Atomkernen in einem festen Kristall beruht. Dadurch benötigt diese Kernuhr weder ein Vakuum noch aufwendige Kühlung. Sie funktioniert bei Raumtemperatur und ist vergleichsweise einfach herzustellen, aber dennoch robust gegenüber Störfeldern, wie Schumm und seine Kollegen erklären.
Aufbau der Wiener Thorium-Atomkernuhr (a) und des Kristalls (c). b zeigt die zum Vergleich genutzte Ytterbium-Atomuhr des österreichischen Metrologieinstituts und d den Zustandswechsel des Thorium-Atomkerns, der der Atomkernuhr zugrundeliegt. — © Schumm et al./ Nature, CC-by 4.0
Um die Genauigkeit ihrer Atomkernuhr zu messen, verglichen die Physiker ihren Prototyp mit einer optischen Atomuhr des österreichischen Metrologieinstituts. Dafür ließen sie die Thorium-Kernuhr 24 Stunden lang laufen und maßen Stabilität und Genauigkeit ihres „Tickens“. Das Ergebnis: Die Genauigkeit der Thorium-Atomkernuhr lag bei rund 10-15. Sie würde demnach in rund 30 Millionen Jahren rund eine Sekunde vor oder nachgehen.
„Das ist noch nicht auf dem Niveau der besten optischen Atomuhren, aber für einen ersten Prototyp ist das ein fantastisches Ergebnis“, sagt Schumm. Er und seine Kollegen gehen davon aus, dass sich die Stabilität und Genauigkeit ihrer Atomkernuhr durch stärkere Laser und optimierte Thorium-Kristalle noch um mehrere Größenordnungen verbessern lassen. „Es ist klar absehbar, welche Eigenschaften der Lasersysteme und Thorium-Kristalle weiter verbessert werden müssen, um voll konkurrenzfähig zu werden“, sagt Peik.
Auch in China tickt eine Thorium-Uhr
Kurz nach Schumms Team hat auch eine chinesische Forschungsgruppe eine Thorium-Atomkernuhr konstruiert. Die Physiker unter Leitung von Shiqian Ding von der Tsinghua-Universität in Peking nutzten ebenfalls einen mit Thorium dotierten Calciumfluorid-Kristall und einen 148-Nanometer-Laser. Auch sie ermittelten die korrekte Laserfrequenz – das Ticken – mittels Absorptionsspektroskopie. Ihre Atomkernuhr erreichte eine Genauigkeit von rund 10-13, wie das Team berichtet.
„Diese Ergebnisse etablieren durch Laser angeregte Atomkerne als Referenzuhren und mit Thorium dotierte Calciumfluorid-Kristalle als stabile, reproduzierbare Festkörperplattform für kompakte Atomkernuhren“, konstatieren Ding und seine Kollegen.
Quelle: Thorsten Schumm (TU Wien) et al., Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-11084-4; Shiqian Ding (Tsinghua University, Beijing) et al., Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-11122-1
