Laser-Anregung von Thorium-229 in opakem Material

Einem Forschungsteam der University of Cali­fornia Los Angeles (UCLA), der Ludwig-Maxi­milians-Univer­sität Mün­chen (LMU) und der Johan­nes Gutenberg-Univer­sität Mainz (JGU) ist es ge­lungen, den Atom­kern des Isotops Thorium-229 mit­hilfe von Laser­licht in einem nicht-trans­pa­ren­ten Träger­mate­rial an­zu­regen. Damit wird eine bis­lang un­zu­gäng­liche Ma­te­rial­klas­se für die Kern-Laser­spek­tro­sko­pie er­schlos­sen – ein ent­schei­den­der Schritt hin zu neu­arti­gen Quan­ten­tech­no­lo­gien wie der viel­ver­spre­chen­den opti­schen Kern­uhr.

Zur Spektro­skopie von Thorium-229 wurde eine dünne Schicht aus Thorium-229-Oxid auf eine polierte Edel­stahl­platte auf­ge­bracht. Der Kreis in der Mit­te mar­kiert den Be­reich mit dem ab­ge­schie­de­nen Thorium-229-Oxid.

Quelle: Lars von der Wense / JGU

Seit den 1960er-Jahren nutzen Wissen­schaftle­rinnen und Wissen­schaft­ler Laser, um die Atom­hülle ge­zielt zu mani­pu­lie­ren – ein An­satz, der zu tech­no­lo­gi­schen Ent­wick­lungen wie op­ti­schen Atom­uhren und Quan­ten­com­pu­tern ge­führt hat. Die ge­ziel­te Ma­ni­pu­la­tion von Atom­ker­nen mit Laser­licht da­ge­gen ist ein noch junges For­schungs­feld: Erst 2024 ge­lang es erst­mals, einen Atom­kern di­rekt mit­tels Laser­licht an­zu­regen.

Bislang war die expe­ri­men­tel­le An­re­gung des Thorium-229-Kerns nur in Träger­mate­rial ge­lung­en, das trans­pa­rent für das zur An­re­gung ver­wen­de­te 148-nm-Laser­licht ist. Mit dem nun ge­lunge­nen Nach­weis in einem nicht-trans­pa­ren­ten Träger­ma­te­rial, also einem Mate­rial, das die Thorium-Atome auf­nimmt und stabi­li­siert, aber selbst für das Laser­licht nahe­zu un­durch­läs­sig ist, wird das Spek­trum nutz­ba­rer Subs­tan­zen dras­tisch er­wei­tert. Gleich­zeitig er­öff­net die Ar­beit das For­schungs­feld der laser­ba­sier­ten IC-Möss­bauer-Spek­tro­sko­pie, einem völ­lig neuen Werk­zeug zur Unter­su­chung von Atom­kernen in Fest­kör­pern.

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Beobachteter Zerfall

„Dieser Erfolg öffnet uns eine Tür zu einem bis­lang ver­schlos­senen Be­reich der Kern­physik“, er­klärt Lars von der Wense vom Ins­ti­tut für Phy­sik der JGU, der das jetzt ge­lunge­ne Ex­pe­ri­ment 2017 vor­schlug. „Dass wir die Kern­anre­gung nun auch in nicht-transpa­ren­ten Mate­ria­lien durch­führen können, ermög­licht uns völ­lig neue Expe­ri­men­te – und bringt die Reali­sie­rung einer opti­schen Kern­uhr ein deut­li­ches Stück näher.“

Eine solche Kern­uhr gilt als poten­ziell stabils­tes Zeit­normal über­haupt. Sie könnte unter anderem die Satel­liten­navi­ga­tion revolu­tio­nie­ren und damit präzi­sere Anwen­dungen in Erd­beobach­tung, auto­no­mem Ver­kehr und Grund­lagen­for­schung ermög­lichen. Ein großes Augen­merk liegt auch auf funda­mental­physi­ka­li­schen Fra­gen wie der Suche nach zeit­lichen Ver­ände­rungen in Natur­konstan­ten und der Suche nach Dunk­ler Materie.

Mit ihrem aktuellen Erfolg schaffen die For­schen­den die Grund­lage für zahl­reiche zukünf­tige Experi­mente und Anwen­dung­en – und zeigen, welches Poten­zial in der Kombi­na­tion aus moderner Laser­techno­logie und Kern­physik steckt. [JGU / dre]