Die ersten Kernuhren ticken

Deine Karte ist eine Uhr

Der blaue Punkt auf deiner Handykarte misst eigentlich keine Entfernung. Er misst Zeit. Jeder Ge Pe Es Satellit trägt mehrere Atomuhren, und dein Handy berechnet, wie lange jedes Signal unterwegs war. Funksignale breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. In einer milliardstel Sekunde legen sie etwa dreißig Zentimeter zurück.

Liegt die Zeitmessung um eine millionstel Sekunde daneben, ist deine Position um etwa dreihundert Meter falsch.

Zwei Kernuhren, eine Woche

Als zwei Forschungsteams am siebten Oktober in Nature über ihre neuen Uhren mit dem Atomkern als Taktgeber berichteten, war das mehr als ein Meilenstein der Physik. Diese neue Uhrenart könnte laut beiden Teams eines Tages die Uhren übertreffen, auf die wir uns heute verlassen. Doch die ersten Modelle liegen noch hinter den besten Atomuhren. Die Gründe dafür sind genauso wichtig wie das Ergebnis.

Wiederholen und zählen

Jede Uhr braucht zweierlei: etwas, das sich wiederholt, und etwas, das diese Wiederholungen zählt. Ein Pendel schwingt hin und her, der Quarz einer Armbanduhr schwingt zweiunddreißigtausend siebenhundertachtundsechzig Mal pro Sekunde. Je schneller und gleichmäßiger sich etwas wiederholt, desto feiner kann die Uhr die Zeit unterteilen.

Die atomare Sekunde

Heute legt ein Atom die offizielle Sekunde fest. Sie umfasst neun Milliarden hundertzweiundneunzig Millionen sechshunderteinunddreißigtausend siebenhundertsiebzig Schwingungen eines Mikrowellensignals, auf das Cäsium reagiert. Fontänenuhren wie diese am Nist werfen lasergekühlte Cäsiumatome als Wolke nach oben und prüfen, ob die Mikrowellenfrequenz noch zu den Atomen passt. Neuere optische Uhren nutzen Licht statt Mikrowellen, und das schwingt zehntausende Male schneller.

Zweitausend vierundzwanzig wurde für eine Strontiumuhr am JILA eine systematische Unsicherheit unter einem Trillionstel gemeldet. Weil optische Uhren Cäsiumuhren überholt haben, bereitet das zuständige internationale Gremium eine Neudefinition der Sekunde vor. Die Entscheidung ist für zweitausend dreißig geplant.

Die Schwachstelle: Elektronen

All diese Uhren lauschen auf dasselbe: Elektronen, die in der äußeren Hülle des Atoms zwischen Energieniveaus springen. Elektronen sitzen außen, also können elektrische und magnetische Störfelder und Wärme ihren Takt verschieben. Darum halten die besten Atomuhren wenige Atome im Vakuum, kühlen sie mit Lasern und schirmen sie sorgfältig ab. Im Atomkern sieht es anders aus.

Er ist zehntausende Male kleiner als das Atom und viel weniger empfindlich für die Felder, die Elektronen stören. Atomkerne ändern ihre Energie meist nur durch energiereiche Gammastrahlung. So hohe Energien erreicht kein Laser, der auf einen Labortisch passt.

Thorium-229

Thorium ist die Ausnahme. Ein seltenes Isotop, Thorium zweihundertneunundzwanzig, hat einen angeregten Zustand nur etwa acht Komma vier Elektronenvolt über dem Grundzustand. Dieser Energieabstand entspricht Vakuum-Ultraviolettlicht mit etwa hundertachtundvierzig Nanometern Wellenlänge. Das kann ein Laser erzeugen. Physiker schlugen zweitausend drei eine Kernuhr mit diesem Übergang vor.

Erst zweitausend sechzehn wurde der angeregte Zustand nachgewiesen. Seine Energie mit Licht zu messen gelang erst zweitausend zweiundzwanzig. Die erste Laseranregung in einem Kristall gelang zweitausend vierundzwanzig.

Eine Uhr in einem Kristall

Weil der Kern so gut abgeschirmt ist, lässt er sich in einen Festkörper einbetten. Beide Teams betteten Thorium zweihundertneunundzwanzig in millimeterkleine Kalziumfluorid-Kristalle ein und hielten sie nahe Raumtemperatur. Das Material ist knapp: Das chinesische Team züchtete einen Kristall aus einer Lösung mit nur eins Komma vier Mikrogramm des Isotops. Thorium zweihundertneunundzwanzig entsteht beim Zerfall von Uran zweihundertdreiunddreißig.

Das Tsinghua-Team schreibt, die Knappheit ließ praktisch keinen Spielraum, einen Kristall zu züchten, zu testen und es noch einmal zu versuchen.

Den Regelkreis schließen

In früheren Versuchen ließen sich die Thoriumkerne anregen, doch eine andere Uhr musste den Laser steuern. Das Wiener Team schloss den Regelkreis: Jetzt steuern die Kerne selbst den Laser. Der Laser durchstrahlt den Kristall. Die Kerne nehmen nur bei der richtigen Frequenz Licht auf. Weicht die Laserfrequenz ab, nehmen die Kerne weniger Licht auf. Ein Detektor erkennt das, und die Elektronik korrigiert die Frequenz.

Dieses veröffentlichte Schaubild zeigt das System mit Kristall, Detektor und Rückkopplung, die den Regelkreis schließt. Die Uhr lief einen ganzen Tag ohne Eingriff von außen.

Die Takte zählen

Eine Uhr muss ihre Takte auch zählen, und hier wird das schwierig. Licht mit hundertachtundvierzig Nanometern Wellenlänge schwingt etwa zwei Billiarden Mal pro Sekunde. Diese Schwingungen kann Elektronik nicht direkt zählen. Darum nutzen die Teams einen Frequenzkamm: einen Laser, dessen gleichmäßig verteilte Farben wie Zahnräder eines Uhrwerks wirken. Sie setzen die Frequenz herab, bis Elektronik mitzählen kann. In Wien ermöglichte eine etwa zehn Kilometer lange Glasfaserleitung den Vergleich mit einer Ytterbium-Ionenuhr am österreichischen Eichamt.

An der Tsinghua-Universität baute ein zweites Team eine eigene Kernuhr und erzeugte das ultraviolette Licht auf andere Weise. Zwei getrennt gezüchtete Kristalle lieferten bis auf etwa ein Zehnbillionstel dieselbe Uhrenfrequenz.

Wie stabil ist sie?

Um eine Uhr zu beurteilen, vergleichen Physiker sie mit einer anderen und messen, wie stark ihre Frequenz schwankt. Diese Grafik aus der Wiener Arbeit zeigt das Schwanken, gemittelt über immer längere Zeiträume. Je länger man mittelt, desto tiefer fällt die Kurve. Nach einigen Stunden liegt sie bei etwa zwei Hundertbillionsteln. Die Pressemitteilung der Universität gibt das als Abweichung von etwa einer Sekunde in dreißig Millionen Jahren an, hochgerechnet aus einem Tag Betrieb.

Zwei Uhren, zwei Stärken

Die beiden Uhren sind nicht gleich stabil. In dieser Grafik aus der Tsinghua-Arbeit sinken die an die Messwerte angepassten Linien bei längerer Mittelung, wie in der Wiener Grafik. Bei optimaler Einstellung schwankt die Tsinghua-Uhr nur etwa ein Sechstel so stark wie die Wiener Uhr bei gleicher Mittelungszeit. Die Tsinghua-Uhr wurde mit einem Wasserstoffmaser und einem ultrastabilen Laserresonator verglichen, über vier Kilometer Glasfaser.

Die Wiener Uhr wiederum regelte ihren Laser selbst und lief einen ganzen Tag. Auch ihre Abweichung von Tag zu Tag wurde gemessen.

Noch im Rückstand

Das klingt extrem, aber die besten optischen Uhren liegen noch weit vorn. Das Wiener Team bezeichnet seine Uhr als ersten Prototyp, der noch nicht das Niveau der weltbesten optischen Atomuhren erreicht. Die Autoren schätzen, künftige Geräte könnten die Stabilität um etwa vier Größenordnungen verbessern. Das ist eine Prognose, keine Messung.

Jeden Tag dasselbe Ergebnis?

Eine zweite Grenze zeigt sich zwischen Messtagen, nicht innerhalb eines Messlaufs. Vor jedem Durchlauf wird der Laser neu justiert, und sein Strahl trifft eine etwas andere Stelle im Kristall. Verschiedene Stellen lieferten leicht unterschiedliche Frequenzen. Daher stimmten die Tagesergebnisse nur bis auf etwa fünf Zehnbillionstel überein. Eine tragbare Uhr muss bei jedem Einschalten dasselbe Ergebnis liefern.

Zurück zum Handy

Könnte das irgendwann deiner Handykarte zugutekommen? Dein Handy hat gar keine Atomuhr. Es empfängt Signale von mindestens vier Satelliten und berechnet daraus seine Position und den Fehler seiner eigenen Uhr. Noch genauere Atomuhren am Boden dienen dazu, die Satellitenuhren zu überprüfen und zu korrigieren.

Die Tsinghua-Arbeit sieht Thoriumkristalle als Weg zu kompakter, robuster Zeitmessung, und davon könnten Satelliten oder Netze profitieren. Keine der Arbeiten berichtet von einer Verbesserung von Ge Pe Es. Die heutige Handygenauigkeit von etwa fünf Metern hängt auch von Atmosphäre, Gebäuden und Empfänger ab.

Uhren, die Höhe messen

Mit besseren Uhren lässt sich auch die Höhe messen, denn weiter weg von der Erde läuft die Zeit etwas schneller. Zweitausend zehn verglich das Nist zwei optische Uhren und erkannte den Unterschied, als eine um etwa dreiunddreißig Zentimeter angehoben wurde. Die Form des Erdschwerefelds so zu vermessen heißt Geodäsie. Dafür braucht man Uhren, die sich zum Messort transportieren lassen. Eine robuste Uhr im Kristall könnte eines Tages helfen, doch für Kernuhren ist das noch eine Möglichkeit, kein Ergebnis.

Ein Detektor für Dunkle Materie

Kurzfristig liegt der Nutzen eher in der Physik. Der Thorium-Übergang reagiert ungewöhnlich empfindlich auf winzige Änderungen der Kräfte, die Materie zusammenhalten. Das Wiener Team suchte in den Uhrdaten eines Tages nach schwachen, regelmäßigen Schwankungen, die manche Arten Dunkler Materie verursachen würden. Sie fanden kein Signal. Doch schon dieser Prototyp liefert Grenzwerte, die mit denen der besten Atomuhren mithalten.

Worauf man achten sollte

Was entscheidet also, ob Kernuhren das Labor verlassen? Drei Dinge: ob die Frequenz jeden Tag gleich ist, ob die Stabilität wirklich mehrere tausendmal besser wird und ob Thorium zweihundertneunundzwanzig und Ultraviolett-Laser leichter erhältlich werden. Die nächste Neudefinition der Sekunde wird auf Grundlage optischer Atomuhren vorbereitet, nicht auf Grundlage von Kernuhren. Der Atomkern hat bewiesen, dass er die Zeit messen kann. Nun muss er zeigen, ob er überall dieselbe Zeit misst.