Erste Atomkernuhr der Welt läuft am Wiener Atominstitut

Von: importer

Schon die 2024 im Fachjournal “Physical Review Letters” beschriebene Möglichkeit, Thorium-229-Atomkerne mit einem Laser gezielt von einem Zustand in einen anderen umzuschalten, sorgte für viel Aufsehen. Die Option einer “Atomkern-Uhr” stand im Raum. Nun hat das gleiche Team um Thorsten Schumm von der TU Wien eine solche erfolgreich am Wiener Atominstitut als Erste realisiert und berichtet darüber im Fachblatt “Nature”. Damit gehen neue Türen in Technik und Forschung auf.

Bereits vor zwei Jahren wurden Stimmen laut, die Schumm und den an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig (Deutschland) tätigen Ekkehard Peik in den Kreis möglicher Nobelpreisträger hievten. Darauf bei einem Besuch der APA am TU-Institut angesprochen, gibt sich Schumm pragmatisch: In erster Linie sei es schön, dass Menschen in dem einst ein Stück weit als “Spielerei” betrachteten Feld jetzt so viel Potenzial sehen. “So viel Glück haben ja nur ganz wenige.” Dass man dort gelandet ist, mache ihn “stolz”. Der Weg könne aber noch sehr weit führen, wenn die Rahmenbedingungen passen.

“Junger und sehr naiver Wissenschafter” auf Frequenzsuche

Als Schumm u.a. unterstützt durch einen START-Preis des Wissenschaftsfonds (FWF) im Jahr 2009 ernsthaft mit der Suche nach der exakten Laserfrequenz zum Umschalten der Kerne des Thorium-Isotops 229 begann, war alles andere als aufgelegt, dass man Erfolg haben würde, erklärt der zum damaligen Zeitpunkt “junge und sehr naive Wissenschafter”. Im Normalfall ist ein Ansteuern eines Atomkernes mittels Laserlicht, um selbigen in einen anderen Energiezustand zu befördern, illusorisch. Aber bei dieser Thorium-Variante besteht der Sonderfall, dass es zwei Niveaus gibt, die sehr nahe beisammen liegen. Dass aus der theoretischen Möglichkeit Realität wurde, war nicht aufgelegt.

Als Knackpunkt beschreibt Schumm ein aufwendiges Experiment, das man bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Genf durchgeführt hat. Man wollte den Suchbereich für die richtige Frequenz eingrenzen, in dem man Thoriumkerne relativ “brutal” durch Kernzerfall erzeugt, sie in einen höheren Energiezustand versetzt und dann dabei beobachtet hat, wie sie wieder in ihren Grundzustand zurückkehrten. Dabei sendeten sie eine Art Photonen- bzw. Gammastrahlung aus. Deren Frequenz gab den Wissenschaftern den Hinweis auf den Schwingungsbereich, den es für die gezielte Anregung braucht.

Ausgeklügelter Aufbau am Atominstitut

Schumm war selbst skeptisch, dass das funktioniert, wie er beschreibt, und er hatte nach dem Erfolg sogar “eine durchaus große Wette verloren”. Sei es drum: Letztlich sei ihm ab da klar geworden, dass, “wenn Thoriumkerne das mitmachen”, die viel subtilere Anregung später auch funktionieren würde. Danach brauchte es in Kooperation mit den Kolleginnen und Kollegen aus Braunschweig aber trotzdem noch rund ein Jahr, um die exakte Frequenz zu finden. Der erste Ausschlag der aufgezeichneten Fluoreszenz nach erfolgreicher Atomkernmanipulation mittels Laser hängt in Schumms Büro als Erinnerung und datiert aus Ende 2023: “Das war eine Herkulesaufgabe, die uns an unsere Grenzen gebracht hat. Da lagen die Nerven auch blank. Es war dann aber klar, dass man mit einem Laser einen Atomkern anregen kann und seitdem ist unglaublich viel passiert.”

Viele Einzelschritte und viel beachtete Arbeiten in hochkarätigen Fachjournalen später präsentiert sich die nun erste Atomkernuhr im Oktober 2026 als recht kompakter Aufbau in einem kleinen Labor neben Österreichs einzigem Forschungs-Atomreaktor am Standort der Technischen Universität in Wien-Leopoldstadt. Das Laserlicht muss für den Umschalt-Effekt aufwendig in jenen extrem kurzwelligen Bereich hochmoduliert werden, den es für den Stunt braucht. In diesem Modus kann sich das Licht nur noch im Vakuum ausbreiten, erklärt Schumm. In der luftleeren Kammer befindet sich auch das Herzstück und der Taktgeber der Uhr – der Kristall mit den eingebauten Thorium-229-Atomkernen. “Der Laserstrahl wird über einen Spiegel nach oben geschossen und geht dann durch den Kristall”, erklärt der Physiker. Dahinter und auf der Seite befinden sich Detektoren, die das nach der Passage durch die Energielevel-Änderung der Kerne charakteristisch veränderte Licht einfangen.

Erste selbststabilisierende Atomkernuhr

Wenn der Laser die Atome in der exakt richtigen Frequenz anregt, wird das Signal über die Zeit etwas schwächer. Kommt es zu einer minimalen Verschiebung – und damit also einem ansteigenden Signal -, kann die Frequenz durch den dahinterliegenden Algorithmus sofort wieder angepasst werden. Das System stabilisiert sich also selbst. Damit hat man mit der Atomkern-Anregung das gleiche Prozedere realisiert, nach dem “im Prinzip jede Uhr” – so auch herkömmliche Atomuhren – funktionieren. Von der Quarz- bis zur Atomuhr braucht es immer ein verlässlich schwingendes System, das über einen Rückkoppelungskreis in Resonanz gehalten wird.

Bei letzterer und auch der neuen Atomkernuhr befindet man sich im Bereich der “Quantenmetrologie”, in der quantenmechanische Abläufe als Taktgeber genutzt werden. Bei der Atomuhr lässt man mit einem Laser ein Elektron in einem geladenen Teilchen (Ion) gezielt auf ein höheres Energielevel springen und stabilisiert den Vorgang durch Überprüfung. Im Zuge der nun publizierten Studie ließen Schumm und sein Team ihre Atomkernuhr über 24 Stunden durchgehend laufen, gleichzeitig lief eine auf Ytterbium-Ionen basierende Atomuhr. Der Vergleich zeigt, dass die Wiener Atomkernuhr funktioniert.

Messen mit einem neuen Quantensystem

Der Testlauf ergab, dass der Aufbau mit einem Fehler von rund einer Sekunde pro 30 Millionen Jahre aufwarten kann. Zum Vergleich: Die präziseste Atomuhr kommt aktuell auf eine Sekunde Abweichung alle 55 Milliarden Jahre. Bei der Atomkernuhr ist aber noch viel Luft nach oben punkto Präzision, die man in den kommenden Jahren über das aktuelle Spitzenniveau steigern will. Und: Im Prinzip hat man hier nun abseits der Elektronenhülle “ein komplett neues Quantensystem, das angreif- und manipulierbar wird. Es ist eine andere Physik”, so Schumm.

Das blieb nach 2024 in der weiten Welt der Wissenschaft nicht unbemerkt und etwa in den USA oder China wurden große Budgets mobilisiert, um auf dem “strategisch wichtigen Gebiet” mitzumischen. So publiziert in der gleichen “Nature”-Ausgabe auch eine chinesische Gruppe eine ihrerseits konstruierte Atomkernuhr – allerdings war man damit etwas später dran als die Wiener Gruppe und wandte sozusagen das neben dem Donaukanal in Praternähe entwickelte Kochrezept an, so Schumm.

Navigation bis Dunkle Materie

Um die neue Uhr noch genauer zu machen, braucht es nun anders gestaltete Kristalle, in denen “Thorium quasi ein natürlicher Bestandteil ist”, und mehr statistische Messdaten mit stärkeren Lasern. Letztere sind gerade in Entwicklung und an Ersterem arbeitet man in Wien bereits auf Hochtouren. “Es gibt aber auch Anwendungsbereiche, die nicht davon abhängen, dass es jetzt die weltbeste Uhr ist”, betonte Schumm. Will man irgendwo – auf der Erde oder im All – hochgenau messen, ist man bis heute auf komplexe, schwere und recht große Geräte angewiesen. Atomkernuhren bekomme man künftig aber voraussichtlich auf “einen kleinen Chip drauf”. Damit wird die Technologie etwa im Bereich der Navigation für einen viel breiteren Nutzerkreis interessant.

Daneben könnte man mit dem grundlegend neuen, beherrschbaren Quantensystem, “das auf anderen physikalischen Grundkräften basiert”, ganz grundlegende Fragen der Physik neu angehen. In der aktuellen Arbeit, an dem auch das Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV) mitgewirkt hat, begann man schon damit: Das Team arbeitet heraus, dass sich in einem bestimmten Frequenzbereich kein Hinweis auf Dunkle Materie mit einer bestimmten Masse finden lässt. Schumm: “Wir zeigen also, dass die Dunkle Materie sozusagen woanders sein muss.”

Tanz auf vielen Hochzeiten

Um bei all dem internationalen Interesse aber auch weiter vorne mitzuspielen, brauche es jetzt viel Nachdruck. Noch habe man etwas mehr Erfahrung als andere Gruppen, mit denen man auch stark kooperiere. Ressourcentechnisch könne man in Österreich aber mit manch anderem Akteur kaum mithalten. Die nicht in den Himmel wachsenden Uni-Budgets hierzulande und vielfach nach relativ wenigen Jahren auslaufende, komplex zu administrierende Projektfinanzierungen – auch für Quanteninfrastruktur – seien ein begrenzender Faktor.

Einerseits gehe es jetzt um die Weiterentwicklung der Technologie selbst und andererseits darum, mit der Uhr Grundlagenforschung zu betreiben. Dafür bräuchte man mehrere Chronometer. Gleichzeitig wollen unglaublich viele Leute die in Wien entwickelten Kristalle kaufen. “Das heißt, wir müssten hier eigentlich Produktion machen”, sagte Schumm, der viele Bälle in der Luft hat, und etwa vor der Gründung eines Start-ups steht: “Unterm Strich ist es eine Skalierungsfrage. Es braucht mehr Geld und mehr Leute.” Klar sei: “In den nächsten fünf bis zehn Jahren möchte ich hier auf jeden Fall mitmischen.”

(Von Nikolaus Täuber/APA)

(S E R V I C E – https://dx.doi.org/10.1038/s41586-026-11084-4 )