Revolution in der Physik: Wissenschaftler erschaffen erste Kernuhr auf Basis von Thorium-229

In der Welt der modernen Physik hat ein lang erwarteter großer technologischer Durchbruch stattgefunden: zwei unabhängige Forschungsgruppen haben es zum ersten Mal geschafft, eine funktionierende Kernuhr zu bauen. Es wird erwartet, dass diese Entdeckung die Präzision der Zeitmessung auf ein völlig neues Niveau heben wird. Laut ixbt.com wurde dieser Erfolg von Wissenschaftlern der Xinhua-Universität in China und dem Vienna Center for Quantum Science and Technology in Österreich erzielt. Dies berichtet Ixbt.com Nachrichten berichtet.

Derzeit gelten Atomuhren als die genauesten Zeitmesser der Welt. Sie messen die Zeit über die Übergangsfrequenzen in den Elektronenhüllen eines Atoms. Die neu geschaffene Kernuhr unterscheidet sich jedoch grundlegend: Sie basiert auf Übergängen zwischen Energiezuständen im Atomkern selbst, also zwischen Protonen und Neutronen. Diese Methode zeichnet sich durch ihre Resistenz gegenüber äußeren elektrischen und magnetischen Feldern aus, da der Kern wesentlich stärker abgeschirmt ist als die Elektronenhüllen.

Die Besonderheit des Thorium-229-Isotops

Als primäres Objekt für die Entwicklung der Kernuhr wurde das Thorium-229-Isotop gewählt. Die Besonderheit dieses Elements liegt darin, dass der Energieübergangsprozess in seinem Kern eine wesentlich geringere Energie aufweist als bei anderen Elementen. Dies ermöglicht es, den Prozess mithilfe von Laserstrahlung anzuregen. Bei fast allen anderen Kernen galt dies als unmöglich, da es extrem hohe Energien erfordert hätte.

Der technologische Prozess war jedoch nicht einfach. Das Hauptproblem war die Notwendigkeit, in einem Spektrum mit einer Wellenlänge von 148 Nanometern zu arbeiten. Die stabile Steuerung der Laserstrahlung in diesem Bereich ist eine äußerst komplexe Aufgabe. Chinesische und europäische Wissenschaftler überwanden diese Hürde, indem sie Thorium-229-Kerne in Calciumfluorid-Kristallen (CaF2) platzierten und diese mit einem Vakuum-Ultraviolett-Laser bestrahlten.

Praktische Bedeutung der Entdeckung

Die im Rahmen der Forschung erzielten Ergebnisse sind erstaunlich. Die chinesische Gruppe unter der Leitung von Beichen Xuan demonstrierte eine Stabilität mit einer Präzision von einem Teil auf 10 Billionen pro Tag, indem sie die Laserfrequenz an den Kernübergang „koppelten“. Dieser Wert ist mit den besten heutigen Atomuhren konkurrenzfähig. Österreichische Wissenschaftler unter der Leitung von Luca Toscani de Col nutzten dieses System zur Suche nach „Dunkler Materie“, einem geheimnisvollen Teil des Universums.

Die Anwendung von Kernuhren könnte folgende Bereiche revolutionieren:

• Erhöhung der Genauigkeit von Navigationssystemen der nächsten Generation (GPS und andere);
• Messung von Gravitationsfeldern mit ultrahoher Präzision;
• Überprüfung der Konstanz fundamentaler physikalischer Konstanten;
• Suche nach neuen physikalischen Effekten jenseits des Standardmodells.

Experten zufolge haben sich Kernuhren von einem theoretischen Konzept zu einer realen Technologie entwickelt. Für die Zukunft ist geplant, diese Geräte zu miniaturisieren und in Alltagstechnologien zu integrieren. Dies eröffnet neue Horizonte nicht nur für die präzise Zeitmessung, sondern auch für die Erforschung der Geheimnisse des Universums.