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ATOMUHREN
Die Zeit noch genauer messen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB)
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23. Oktober 2019

Unterstützt durch den europäischen Forschungsrat möchte ein internationales Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern eine ganz neue Atomuhr entwickeln, die eine noch genauere Zeitmessung erlaubt. Im Gegensatz zu aktuellen Modellen nutzt diese Uhr das "Ticken" des Atomkerns. Die erhöhte Genauigkeit könnte auch der physikalischen Grundlagenforschung zugutekommen.

Kernuhr

Kernuhr, die auf einem Übergang im Atomkern des schweren Thorium-229 basiert. In der Uhr soll der Kern durch Laserlicht angeregt werden. Bild: Christoph Düllmann, JGU Mainz [Großansicht]

Für die Entwicklung einer völlig neuen Atomuhr haben Forschende der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zusammen mit internationalen Kolleginnen und Kollegen einen prestigeträchtigen "Synergy Grant" des europäischen Forschungsrates ERC eingeworben. Eine solche Thorium-Kernuhr könnte noch einmal deutlich genauer sein als alle bisherigen Cäsium- und auch die optischen Atomuhren. Das verspricht Vorteile für die Anwendungen präziser Zeit- und Frequenzmessung, aber auch für physikalische Grundlagenforschung.

Nachdem das internationale Forschungskonsortium mit mehreren Veröffentlichungen bereits gezeigt hat, dass eine solche Uhr grundsätzlich realisierbar ist, zeigt nun der europäische Forschungsrat sein Vertrauen in das Projekt, indem er es mit insgesamt 13,8 Millionen Euro fördert. An dem interdisziplinären und internationalen Projekt "Thorium Nuclear Clock" sind neben der PTB Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Wien, München, Delaware (USA), Heidelberg und Aachen beteiligt. Das Synergy-Programm des European Research Council (ERC) ist die am höchsten dotierte Forschungsförderung des ERC und konzentriert sich insbesondere auf Themen mit hohem Innovationspotenzial, die eine Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Fachgebieten erfordern, wie hier Atom- und Kernphysik, Laserphysik und theoretische Physik.

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Bei bisherigen Atomuhren "tickt" sozusagen die Atomhülle, bei der Thoriumuhr dagegen der Atomkern. "Ticken" meint, dass man periodische Vorgänge, konkret die regelmäßige Abfolge von Tal und Berg von Mikrowellen- oder optischer Strahlung, zur Anregung von Elektronen bzw. des Kerns in den Atomen einer solchen Uhr nutzt. Weil im Atomkern die Protonen und Neutronen wesentlich dichter gepackt und fester gebunden sind als die Elektronen in der Außenhülle, verspricht eine Kernuhr eine deutlich höhere Genauigkeit als bisherige Atomuhren.

"Sie ist aber genau deswegen auch deutlich komplizierter zu realisieren," erläutert Dr. Ekkehard Peik, Physiker und Fachbereichsleiter an der PTB. Zusammen mit seinem Kollegen Dr. Christian Tamm hat er schon vor mehr als einem Jahrzehnt das Konzept für eine Thoriumuhr entwickelt. Thorium-229 besitzt als einzig bekanntes Atom einen isomeren Kernzustand, den man mit Lasertechnik, wie sie ähnlich auch bei heutigen Atomuhren genutzt wird, anregen kann. Aus dem Konzept wurde die intensive Forschungsarbeit verschiedenster Gruppen weltweit.

Auch durch die enge Kooperation zahlreicher Institutionen ist die Thoriumuhr Schritt für Schritt nähergerückt. "Wenn alles gut läuft, werden wir in sechs Jahren schon zwei unterschiedliche Versionen von Kernuhren haben", hofft Peik. Allerdings sei dazu noch viel Grundlagenarbeit zu leisten. Aber die kostet Geld, und die 13,7 Millionen der EU schaffen die perfekten Bedingungen dafür. Damit können – auch noch über das Ziel einer neuen Uhr hinaus – neue grundlegende Einblicke in die Struktur des Thorium-229-Atomkerns gewonnen werden. "Potenziell erhalten wir damit auch einen Zugang zu offenen Fragen aus der Physik – etwa, wie sich die Quantengravitation oder die Dunkle Materie auf präzise Vergleiche zwischen unterschiedlichen Atomuhren auswirken", sagt Atomuhrexperte Peik.

Im Rahmen des ERC Synergy Grant werden über sechs Jahre hinweg Peik und die anderen sogenannten "Principal Investigators" des Projektes gefördert: Professor Thorsten Schumm von der Technischen Universität Wien, der auch der Sprecher des Projektes ist, Dr. Peter Thirolf von der Ludwig-Maximilians-Universität München und Prof. Marianna Safranova von der University of Delaware in den USA. Beteiligt sind zudem Forscherinnen und Forscher am Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg und am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen.

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siehe auch
Atomuhren: Symmetrie der Raumzeit getestet - 14. März 2019
Erde: Schwerefeldmessung mit portabler Atomuhr - 14. Februar 2018
Zeitmessung: Atomuhr mit noch höherer Genauigkeit - 15. Februar 2016
Zeitmessung: Vier Atomuhren für die Weltzeit - 30. Dezember 2009
QUEST: Die genauste Atomuhr der Welt - 29. Mai 2009
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