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Physiker machen wichtigen Schritt zu noch genauerer Atomuhr

11.09.2019

Für den allgemeinen Gebrauch reicht die Genauigkeit der Zeitmessung von herkömmlichen Atomuhren bei weitem aus. Wissenschafter würden sich aber etwa bei der Vermessung von Naturkonstanten durchaus noch mehr Präzision wünschen. Im Rahmen zweier Experimente haben Physiker einen wichtigen Schritt in Richtung einer noch genaueren "Atomkern-Uhr" gemacht, wie sie im Fachblatt "Nature" berichten.

Für eine solch neuartige Uhr braucht es einen Taktgeber, dem der verlässlich auslesbare Rhythmus sozusagen im Atomkern innewohnt. Schon seit einiger Zeit glauben Wissenschafter, beim Element Thorium fündig zu werden. Das liegt daran, dass die Kerne des Thorium-Isotops 229 offenbar energetische Zustände einnehmen können, die sehr nahe beisammen liegen - die Grundvoraussetzung für eine funktionierende Atomkern-Uhr, wie es in einer Aussendung der Technischen Universität (TU) Wien hieß.

Suche nach energetischen Nachbarn

"Knapp über dem Grundzustand - also dem Zustand mit der kleinstmöglichen Energie - gibt es erstaunlicherweise einen weiteren Kernzustand, den wir Isomer nennen", so Thorsten Schumm vom Atominstitut, der an beiden nun vorgestellten Experimenten beteiligt war. Thorium-229 dürfte tatsächlich der einzige Atomkern sein, der den Isomerzustand auf derart niedrigem Energieniveau einnimmt.

Nach so engen energetischen Nachbarn suchen die Wissenschafter. In bisherigen Atomuhren nutzen sie Elektronen, die sich zwischen nahe beisammenliegenden Energiezuständen bewegen können. Das vor allem für die Grundlagenforschung relevante Problem dabei ist, dass die exakte Messung dieser Elektronen-Übergänge etwa durch äußere Magnetfelder gestört werden kann. Darüber hinaus lassen sich Atomkern-Zustände insgesamt besser vermessen.

Auf die Suche nach dem ominösen Thorium-Isomerzustand, dessen exakter Energiewert bisher unbekannt war, machten sich die Teams aus Deutschland und Japan jeweils mit TU-Wien-Beteiligung mit zwei verschiedenen Experimenten: Mit dem ersten komplexen Aufbau wurde in Deutschland von Benedict Seiferle und Kollegen jene Energie gemessen, die in Form eines Elektrons abgegeben wird, wenn Thoriumkerne vom angeregten in den energetisch niedrigsten Kernzustand wechseln. Den quasi umgekehrten Weg ging das japanische Team um Takahiko Masuda, indem es Thorium-229-Atome mit hochenergetischen Röntgenstrahlen in ihren zweiten, hochangeregten Zustand versetzte. Von dort ausgehend wechselten die so behandelten Atome dann vorwiegend in den gesuchten Isomerzustand, für den sich die Forscher interessierten. So konnte dieser vermessen werden.

Entscheidende Schritte zu Atomkern-Uhr

Jetzt sei einerseits klar, dass es den vermuteten Zustand gibt, andererseits wisse man auch relativ genau, bei welcher Energie er auftritt. Bis zum Bau einer ersten Atomkern-Uhr müsse man den Isomerzustand allerdings noch präziser festmachen. "Die Resultate von Masuda und Seiferle und Kollegen sind aber entscheidende Schritte dorthin", konstatiert der Kernphysiker Jason Burke in einem Ausblickartikel in "Nature".

Eine funktionierende Atomkern-Uhr verheiße jedenfalls neue Erkenntnisse bei der Suche nach der mysteriösen Dunklen Materie. Auch die Vermessung der winzigen Unregelmäßigkeiten im Schwerefeld der Erde oder die genauere Positionierung von Objekten mittels Satelliten-basierter Navigation könnten damit verbessert werden, heißt es seitens der Uni.

Service: Die "Nature"-Publikationen online: https://dx.doi.org/10.1038/s41586-019-1533-4 und https://dx.doi.org/10.1038/s41586-019-1542-3

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