Die Vision von einer Atomkernuhr gibt es schon lange, aber die Realisierung besch\u00e4ftigte Forscher \u00fcber Jahrzehnte. Herausforderung war es, einen Atomkern zu finden, der sich f\u00fcr den Bau einer neuen Generation von hochpr\u00e4zisen Uhren eignet. Jetzt gelang es zwei verschiedenen internationalen Forscherteams zeitgleich.<\/p>\n
Mit diesen neuen Erkenntnissen ist der Weg zur Entwicklung hochpr\u00e4ziser Uhren bereitet. Diese werden einen wertvollen Beitrag zur Grundlagenforschung leisten. Dort erm\u00f6glichen sie die noch unerforschte dunkle Materie zu untersuchen. Auch k\u00f6nnte man Atomkernuhren einsetzen, um zu \u00fcberpr\u00fcfen, ob die Naturkonstanten tats\u00e4chlich exakt konstant sind. Dar\u00fcberhinaus w\u00fcrde die Atomkernuhr viele Messungen pr\u00e4ziser machen, die nur indirekt mit der Zeitmessung in Verbindung stehen: So k\u00f6nnten winzige Unregelm\u00e4\u00dfigkeiten im Schwerefeld der Erde vermessen werden und Objekte mittels satellitenbasierter Navigation genauer positioniert werden.<\/p>\n
Die Forschung nach der exaktesten Uhr hat bereits eine lange Tradition. So wei\u00df man, dass es einen Taktgeber braucht, der sehr oft und \u00e4u\u00dferst pr\u00e4zise tickt. Ein Vorl\u00e4ufer der Atomkernuhr ist die Atomuhr. Deren Taktgeber sind die Elektronen in einem Atom, die auf sehr exakt definierte Weise zwischen zwei verschiedenen Zust\u00e4nden hin und her wechseln k\u00f6nnen. Bei der Atomkernuhr sind es nicht die Zust\u00e4nde der Elektronen, sondern die Zust\u00e4nde des Atomkerns, die als Taktgeber genutzt werden k\u00f6nnen.<\/p>\n
Auch die Zust\u00e4nde von Elektronenh\u00fcllen messen in der Atomuhr messen schon sehr genau: Man kann mit ihnen sogar die gravitationsbedingte Zeitdifferenz<\/a> zwischen einem Berggipfel und dem Tal messen. Aber Kernzust\u00e4nde erm\u00f6glichen noch pr\u00e4zisere Messungen. Ein weiterer Vorteil des Atomkerns liegt darin, dass dieser besser gegen St\u00f6rungen gesch\u00fctzt ist, wie diese bei \u00e4u\u00dferen elektromagnetischen Feldern auftauchen.<\/p>\n Man vermutete schon lange, dass Thorium-Kerne geeignet f\u00fcr den Bau von Atomkernuhren sind. Allerdings galt es, den Kernzustand von Thorium nachzuweisen \u2013 und das war kompliziert und aufw\u00e4ndig. In zwei verschiedenen l\u00e4nder\u00fcbergreifenden Forschungsgruppen konnten jetzt zeitgleich geeignete Methoden gefunden werden. Professor Thorsten Schumm<\/a> vom Atominstitut<\/em> der TU Wien<\/a> war an beiden Experimenten beteiligt.<\/p>\n \u201eIn der Kernphysik hat man es meist mit sehr hohen Energien zu tun. Die Energien der Elektronen, die den Atomkern umkreisen, sind normalerweise viel niedriger, daher kann man diese Elektronen etwa mit Laserstrahlen relativ leicht manipulieren. Bei Atomkernen ist dies \u00fcblicherweise nicht m\u00f6glich.\u201c Thorsten Schumm<\/p><\/blockquote>\n Soweit die Regel. Thoriumkerne des Isotops 229 bilden allerdings eine Ausnahme. Diese beruht auf dem niedrigen Energiepegel eines Kernzustands, der Isomer genannt wird. Dieser Kernzustand liegt knapp \u00fcber dem Grundzustand \u2013 also dem Zustand mit der kleinstm\u00f6glichen Energie. Dadurch ist der Energieunterschied (\u00dcbergang) zwischen dem Grundzustand und dem Isomer wesentlich geringer als in anderen Atomkernen. Nach aktuellem Wissensstand ist Thorium-229<\/em> der einzige Atomkern mit einem nieder-energetischen Isomerzustand wie diesem. Es ist eben dieser \u00dcbergang zwischen den beiden Kernzust\u00e4nden in Thorium, der f\u00fcr den Bau einer Atomkernuhr genutzt werden kann.<\/p>\n Was die Forscher bisher vom Durchbruch trennte, war die Kenntnis des exakten Energiewerts des Thorium-Isomerzustands. Eine Forschergruppe, mit Teams der Ludwig Maximilians Universit\u00e4t M\u00fcnchen<\/em><\/a>, des Max Planck Institut (MPI) f\u00fcr Kernphysik Heidelberg<\/em><\/a> und der TU Wien<\/a>, fand nun eine Methode, diesen zu ermitteln. Schumm und Simon Stellmer<\/a> vom Atominstitut der TU Wien halfen mit, das Experiment zu entwickeln. Florian Libisch und Christoph Lemell<\/a> vom Institut f\u00fcr Theoretische Physik<\/em><\/a> der TU Wien f\u00fchrten Computersimulationen durch, die zu einer quantitativen Messung der Isomerenergie f\u00fchrten.<\/p>\n Basis des Experiments waren radioaktive Urankerne des Isotops 233 aus im MPI Mainz erzeugten Quellen. Wenn diese zerfallen, entstehen elektrisch geladene Thoriumionen. Etwa zwei Prozent davon befinden sich im gesuchten, angeregten Kernzustand. Diese Thoriumionen wurden wieder elektrisch neutralisiert und durch eine d\u00fcnne Graphenschicht gelenkt, aus der sich die Thoriumionen die fehlenden Elektronen holen. Danach k\u00f6nnen die neutralen Thoriumatome spontan vom angeregten Kernzustand in den tiefsten Kernzustand wechseln. Dabei wird Energie frei, und zwar in Form eines Elektrons, das fortgeschleudert wird.<\/p>\n Nun gilt es, die Energie dieses Elektrons zu messen. Wenn es gelingt, alle Details des komplizierten Experiments exakt zu kontrollieren und zu berechnen, kann man daraus auf die Energie des gesuchten Thorium-Kernzustandes schlie\u00dfen.<\/p>\n Die zweite Forschergruppe befindet sich in Japan und hatte einen vollkommen anderen Ansatz: Die Thoriumkerne wurden mit einem Synchrotron bestrahlt. Dieses produziert extrem intensive R\u00f6ntgenstrahlen, das die Thoriumkerne mit tausendfach h\u00f6herer Energie in den zweiten angeregten Kernzustand versetzt. Von diesem Zustand wechseln die Thoriumkerne dann vorwiegend in den gesuchten ersten angeregten Zustand, nahe dem Grundzustand.<\/p>\n Daraufhin werden die Atome aktiv in den Isomerzustand gepumpt<\/em> und k\u00f6nnen dort vermessen werden.<\/p>\n \u201eDas ist ein extrem wichtiger Schritt f\u00fcr uns: Wir wissen nicht nur, dass es den angeregten Zustand knapp \u00fcber dem Grundzustand tats\u00e4chlich gibt, wir kennen nun auch seine Energie recht genau.\u201c Thorsten Schumm.<\/p><\/blockquote>\n In weiteren Messungen soll der Zustand nun noch besser vermessen werden, dann sollte der Weg f\u00fcr den Bau von kompakten, hochpr\u00e4zisen Atomkern-Uhren bereitet sein.<\/p>\n Originalpublikation:<\/strong><\/p>\n Energy of the 229Th nuclear clock transition <\/a><\/p>\n <\/p>\n Auch interessant: <\/strong><\/p>\n Quantensensor zur Messung von Lichtteilchen<\/a><\/p>\n Die Messung und Vorhersage der Lawinengefahr ist immer noch schwierig<\/a><\/p>\n Multidimensionaler Hyperw\u00fcrfel: Quantenphysiker entdecken neuen Zustand von Atomen<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Die Vision von einer Atomkernuhr gibt es schon lange, aber die Realisierung besch\u00e4ftigte Forscher \u00fcber Jahrzehnte. 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Ermittlung des exakten Energiewerts<\/h3>\n
Freisetzung von Energie<\/h3>\n
Bestrahlung mit Synchrotron<\/h3>\n