Die Kernuhr beginnt zu ticken

Es war der Durchbruch zu einer neuen Art von Atomuhr: Vor etwa zweieinhalb Jahren gelang es Ekkehard Peik und Thorsten Schumm zum ersten Mal weltweit, einen Atomkern mit einem Laser anzuregen. Es ist das grundsätzliche Prinzip jeder Atomuhr, mit Lasern Atombestandteile anzuregen. Doch sind dies bislang immer Elektronen. In Atomkernen sind die Teilchen viel dichter gepackt, sodass die Energie eines Lasers normalerweise nicht ausreicht. Aber das Element Thorium-229 bot eine Chance: „Er weist zwei sehr eng benachbarte Energiezustände auf, sodass ein Laser ausreicht, um den Zustand des Atomkerns zu verändern“, erklärt Peik.

Dies wusste der PTB-Physiker, als er 2003 das Prinzip einer Kernuhr mit Thorium vorschlug. Aber es sollte rund 20 Jahre dauern, bis er in der Kooperation mit Thorsten Schumm genau die passende Frequenz fand. Es war die Suche nach der Nadel im Heuhaufen: „Um den Kern gezielt anzuregen, muss die nur ungenau bekannte Energie des Übergangs mit einem Laser auf ein Millionstel Elektronenvolt genau getroffen werden“, erläutert Peik.

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Auf dem Weg zur Kernuhr

Möglich wurde der Erfolg, weil Thorsten Schumm mit seiner Gruppe an der Universität Wien spezielle Thorium-dotierte Kalziumfluoridkristalle gezüchtet hatte, in denen viele Thoriumkerne auf einmal getroffen werden konnten. So erhöhte sich die Chance massiv, die passende Laserfrequenz zu finden.

Doch bis zur echten Uhr fehlte noch ein entscheidender Schritt. „Unser zunächst genutztes Lasersystem benötigte eine Fläche von mehreren Quadratmetern auf optischen Tischen und lief nur im gepulsten Betrieb“, erläutert Peik. In einer Kooperation mit dem Max-Born-Institut arbeiteten das PTB-Team mit Hochdruck an diesem Problem. Im Dezember 2025 konnten sie das Ergebnis vorstellen: einen kompakten, kontinuierlich emittierenden Festkörperlaser mit sehr hoher Frequenzauflösung.

Jetzt gelang der genügend empfindliche Nachweis der Kernanregung. „In den ersten Experimenten hatten wir den Kristall jeweils für zwei Minuten mit dem Laser bestrahlt, daraufhin den Laserstrahl geblockt und das von den angeregten Kernen abgestrahlte Fluoreszenzlicht beobachtet und gemessen“, erläutert Peik. „Dieser Vorgang erfolgt nur langsam, mit einer Zeitkonstante von etwa zehn Minuten. 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.“ Mit dem neuen, in Frequenz und Leistung viel stabileren Laser war es jetzt möglich, anstelle der abgestrahlten Fluoreszenz die von den Kernen absorbierte Laserleistung zu messen. Der Laser muss zum Nachweis nicht mehr geblockt werden, und das Signal erfährt keine Zeitverzögerung. Es kann daher verwendet werden, um die Laserfrequenz über kurze und lange Zeiten an die Kernresonanzfrequenz anzubinden.

Damit waren die wichtigsten technischen Voraussetzungen erfüllt: Mit dem an der PTB aufgebauten Lasersystem und den an der TU Wien hergestellten Thorium-dotierten Kalziumfluorid-Kristallen konnte in Wien erstmals Uhrenbetrieb gezeigt werden, bei dem das System über mehr als 24 Stunden ohne Nutzereingriff stabil läuft. Verglichen wurde die Uhr dabei mit einer optischen Uhr des österreichischen Metrologieinstituts BEV-PTP in Wien.

Betrachtet man die lang andauernden Entwicklungsarbeiten an anderen optischen Uhren, stellt dies einen enorm schnellen Fortschritt für ein noch junges Arbeitsgebiet dar. In mehrfacher Hinsicht wird mit dieser Kernuhr Neuland betreten: Es handelt sich um die erste Uhr, die auf einer Kernresonanz beruht und die als Taktgeber einen Festkörper verwendet, keine im Vakuum gespeicherten Atome oder Ionen wie in allen anderen aktuell entwickelten optischen Uhren. [PTB / dre]