Ekkehard Peik als „Vater der Zeit“ geehrt

„Vater der Zeit: Der Physiker, der die erste Kernuhr der Welt bauen will“, titelt „Nature“ in der Dezemberausgabe und ehrt ihn als einen der zehn prägendsten Forscher des Jahres 2024:  Den Physiker Ekkehard Peik von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Ihm und seinem Team war Anfang des Jahres ein wahrer Quantensprung gelungen – sprichwörtlich und ganz real. Sie schafften, was seit vielen Jahren nur theoretisch vorhergesagt wurde: Die Laser-Anregung eines Atomkerns des Elements Thorium-229 zu einem Quantensprung von einem Energieniveau auf ein anderes. Dieser wissenschaftliche Durchbruch könnte Kernuhren mit bisher unvorstellbarer Präzision ermöglichen.

Im Gegensatz zur Anwendung auf einen Atomkern ist die Anregung von Elektronen in der Atomhülle schon lange eine verbreitete Methode: Wenn die Wellenlänge eines Lasers exakt gewählt ist, wechselt ein Elektron von einem Zustand in einen anderen. So kann man diese für ein Atom oder Molekül charakteristische Energie sehr exakt vermessen. Viele Präzisionsmesstechniken beruhen genau darauf, etwa Atomuhren, aber auch chemische Analysemethoden. Auch in Quantencomputern werden Laser verwendet, um Information in Atomen oder Molekülen zu speichern.

Lange schien es unmöglich, diese Techniken auf Atomkerne anzuwenden, die ebenfalls unterschiedliche Quantenzustände annehmen können. Der Durchbruch gelang durch eine Zusammenarbeit mit der TU Wien: Während in der PTB ein Lasersystem bei der benötigten ultravioletten Wellenlänge von etwa 148 Nanometern entwickelt wurde, stellten Forscher an der TU Wien Kristalle her, in die Thorium-Kerne in großer Anzahl eingebaut wurden. Beide Aufgaben waren nicht nur Neuland, sondern auch technisch sehr aufwändig. Sie haben aber schließlich die Möglichkeit geschaffen, dass in der PTB rund zehn Billiarden Thorium-Kerne gleichzeitig mit dem Laser getroffen werden können.

Den Forschern ist es mit diesem Vorgehen gelungen, die Energie des gesuchten Thorium-Übergangs exakt zu treffen. Und die Thorium-Kerne lieferten zum ersten Mal ein klares Signal: Der Laserstrahl hatte ihren Zustand gezielt umgeschaltet. Im weiteren Verlauf des Jahres ist es zwei Gruppen in den USA gelungen, den Effekt auch mit anderen thoriumdotierten Kristallen und anderen Lasersystemen zu beobachten.  

Die erfolgreiche Laser-Kernanregung öffnet die Tür für eine Atomkern-Uhr, die noch einmal deutlich genauer sein könnte als die heutigen Atomuhren. Sie könnte die grundlegenden Fragen der Quantenforschung nach dem Ursprung unserer Welt – beispielsweise ob Naturkonstanten seit dem Urknall konstant sind – beantworten helfen. Und wenn die nun realisierten thoriumdotierten Kristalle weiterentwickelt werden, könnten Thorium-Kerne als Sonden in Kristalle oder Moleküle eingebaut werden und dort neue Informationen über mikroskopische Materialeigenschaften zugänglich machen.  

PTB / RK