ATOMUHREN
Die Thorium-Uhr beginnt zu ticken
Redaktion / idw / Pressemitteilung der PTB und der TU Wien
astronews.com
13. Oktober 2026

Ab jetzt kann man von einer wirklichen Atomkernuhr sprechen: In Wien ist der weltweit erste Prototyp einer neuen Zeitmesstechnologie in Betrieb genommen worden, die wichtige Rekorde aufstellen soll. Die Kernuhren könnten in Zukunft noch präzisere Zeitmessungen ermöglichen und sogar helfen, hinter so manches Geheimnis der Physik zu kommen. 

Der Kristall in der Vakuumanlage mit Laserstrahl, der die Thorium-Kerne anregt. Foto: T. Schumm, TU Wien [Großansicht]

Nach der Sensation von 2024, als es nach jahrzehntelanger Forschung erstmals gelang, den Kern von Thorium mit einem Laser anzuregen (astronews.com berichtete), hat ein Team um Ekkehard Peik von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und Thorsten Schumm von der Technischen Universität Wien jetzt ein viel präziseres und zudem kompakteres Lasersystem entwickelt, das einen echten Uhrenbetrieb ermöglicht. Mit dem an der PTB aufgebauten Lasersystem und den an der TU Wien hergestellten Thorium-dotierten Kalziumfluorid-Kristallen konnte jetzt in Wien erstmals ein Uhrenbetrieb gezeigt werden, bei dem das System über mehr als 24 Stunden ohne Nutzereingriff stabil läuft. Die neue Kernuhr könnte noch genauer werden als die optischen Atomuhren. Zudem wird damit die Atom- mit der Kernphysik für Experimente höchster Präzision direkt verknüpft.

Es war der Durchbruch zu einer neuen Art von Atomuhr: Vor etwa zweieinhalb Jahren gelang es Peik und 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 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. Möglich wurde der Erfolg, weil Schumm mit seiner Gruppe in Wien spezielle Thorium-dotierte Kalziumfluorid-Kristalle 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 in Berlin arbeitete das Team an der PTB 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.

"Der große Vorteil der neuen Atomkernuhr in Wien ist: Wenn man nicht Atome, sondern Atomkerne verwendet, lässt sich im Prinzip eine viel höhere Präzision erreichen", erklärt Schumm. Atomkerne sind über zehntausendmal kleiner als Atome, sie reagieren viel schwächer auf äußere Störungen und sind dadurch viel zuverlässigere Taktgeber. Die Präzision der neuartigen Atomkernuhr wurde über einen Tag hinweg untersucht und liegt bei ungefähr 10^-15 – das entspricht ungefähr einem Fehler von einer Sekunde pro 30 Millionen Jahren. "Das ist noch nicht auf dem Niveau der weltbesten optischen Atomuhren, für einen ersten Prototyp ist es aber ein fantastisches Ergebnis", so Schumm. Nun soll die Präzision noch durch mehrere Maßnahmen drastisch verbessert werden: Etwa durch stärkere Laser und bessere Thorium-Kristalle.

Die neuen Messmöglichkeiten mit der Kernuhr wurden bereits für verschiedene physikalische Untersuchungen eingesetzt: Der Thorium-Kern kann im Kristallgitter des Kalziumfluorids verschiedene Positionen einnehmen. Aus dem daraus resultierenden Spektrum der Kernresonanz erhält man Information über den mikroskopischen Aufbau des Systems und kann diese zu einer Optimierung der Uhr einsetzen. Des Weiteren wurde ein erster Test über mögliche Kopplungen des Th-229-Kerns an bestimmte Formen Dunkler Materie durchgeführt, eine noch vorläufige Anwendung der Kernuhr für eine grundlegende, offene Fragestellung der Physik.

Die Forschungen in Wien und Braunschweig erfahren schon seit Längerem starke Aufmerksamkeit auf wissenschaftlichen Konferenzen - auch deshalb, da wenige Wochen nach Bekanntwerden der Resultate aus Wien ähnliche Experimente von einer Kooperation chinesischer Institute unter Leitung der Tsinghua Universität berichtet wurden. Die in Braunschweig und Wien initiierte Forschung an der Thorium-229-Kernuhr ist somit innerhalb weniger Jahre zu einer weltweit beachteten Aktivität geworden.

"Die jetzt erzielte Stabilität der Kernuhr stellt im Vergleich zu den besten optischen Uhren mit gespeicherten Atomen oder Ionen noch keinen Weltrekord auf, aber es ist klar absehbar, wo die derzeitigen technischen Grenzen liegen und welche Eigenschaften der Lasersysteme und Thorium-Kristalle weiter verbessert werden müssen, um voll konkurrenzfähig zu werden", blickt Peik auf die nahe Zukunft.

Über die Fortschritte und Ergebnisse berichtete das Team in zwei Fachartikeln, die in der Zeitschrift Nature erschienen sind.