Weg frei für die Thorium-Kernuhr

(openPR) Ihr Quantensprung liegt jetzt etwa zwei Jahre zurück: Ende 2023 gelang es dem Team um Ekkehard Peik in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) als weltweit erster Gruppe, den Kern eines Atoms mit Laserpulsen anzuregen. Damit wurde ein neuer Atomuhr-Typ möglich: eine Kernuhr, noch genauer als andere Atomuhren. Und es entstand ein neues Gebiet der Physik: die laserbasierte Kernphysik, die neue Erkenntnisse über unser Universum verspricht. Doch für einen stabilen Uhrenbetrieb ist die gepulste Laserstrahlung nicht geeignet. Jetzt konnte das Team ein neues Lasersystem für die Kernuhr maßschneidern. Es ist weltweit das erste System, das die benötigte UV-Wellenlänge von 148 nm kontinuierlich emittiert und dabei ohne die sonst üblichen Gas-Komponenten auskommt. Beides macht das System besonders stabil und kompakt – Voraussetzungen für einen stabilen, dauerhaften Uhrenbetrieb. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Optica publiziert.

Sein Durchbruch brachte Ekkehard Peik, dem „Vater der Zeit“, bereits einige Ehrungen ein, etwa den niedersächsischen Wissenschaftspreis 2025. Die Zeitschrift Nature erklärte ihn zu einem der zehn weltweit einflussreichsten Forschenden des Jahres 2024. Denn seine Erkenntnisse sind ganz grundsätzlicher Art: Er hat nicht nur einen neuen Uhrentyp möglich gemacht, sondern auch ganz grundsätzlich zwei bisher getrennten Gebiete der Physik verbunden: die Atom- und die Kernphysik.

Dass man mit Methoden der Laserphysik den Kern eines Atoms anregen könne, war davor für fast unmöglich gehalten worden. Denn ein Laser hat typischerweise zwar genügend Energie, um die Elektronen eines Atoms anzuregen und so zum Beispiel eine optische Atomuhr möglich zu machen. Aber einen Atomkern anzuregen, erfordert normalerweise etwa die tausendfache Energie, weil die Teilchen im Kern viel fester gebunden sind. Peik selbst hatte bereits 2003 die Idee zu einer optischen Kernuhr. Denn er sah eine realistische Chance beim Isotop Thorium-229. Dessen Energieniveaus im Kern liegen so eng beieinander, dass die vergleichsweise schwache Strahlung eines UV-Lasers ausreichen könnte.

Es dauerte mehr als 20 Jahre, bis es seinem Team mit einem Experiment an der PTB zum ersten Mal gelang, die exakte Frequenz für die Anregung eines Thorium-Übergangs zu identifizieren. Dafür brauchte es gleich zwei wissenschaftliche Weltpremieren: erstens die Entwicklung eines speziellen, mit Thorium angereicherten Kristalls, der es ermöglichte, sehr viele Thoriumkerne gleichzeitig mit einem Laser zu treffen. In der Gruppe um Thorsten Schumm an der Technischen Universität Wien gelang es, einen solchen Kristall herzustellen. Und zweitens die Entwicklung eines geeigneten Lasersystems an der PTB, mit dem dort auch die entscheidende Anregung gelang.

Es ist relativ einfach, Laser für infrarotes und sichtbares Licht zu bauen. Je kürzer die Wellenlänge wird, desto schwieriger wird das Ganze. „Um die benötigte Wellenlänge von 148 nm zu erreichen, haben wir damals einen gepulsten Laser verwendet, und die kurzwellige Strahlung wurde durch Frequenzmischung in einem Edelgas erzeugt“, erklärt Peik. „Beide Eigenschaften sind nicht ideal für den Laser einer optischen Uhr: Sowohl der gepulste Betrieb wie auch die Bewegung der Atome in einem Gas können zu einer Verbreiterung der Laserlinie führen und damit die Stabilität der Uhr beeinträchtigen.“ So hat sein Team intensiv daran gearbeitet, ein Lasersystem zu entwickeln, das aufgrund zweier entscheidender Eigenschaften genügend Stabilität für einen echten Uhrenbetrieb liefert: Erstens emittiert es das Laserlicht kontinuierlich (und nicht gepulst), zweitens basiert es ausschließlich auf Festkörperbauelementen (statt auf Gaskomponenten). Dies gelang dem Team mit einer Kette von drei Kristallen, die die Wellenlänge eines Infrarotlasers in drei Schritten auf 148 nm einstellen.

„Die ersten beiden Schritte beruhen auf Standardtechnik“, erklärt Peik. Aber Schritt drei war noch niemals vorher realisiert worden und erforderte eine Art detektivische Suche. Das passende Material fand sich im Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin. Valentin Petrov und sein Team haben dort das seltene optische Material Strontiumtetraborat (SBO) erforscht. „Die Nutzung dieses Materials in einem kontinuierlichen VUV-Lasersystem stellt eine weltweite Premiere dar“, sagt Peik. Bis jetzt liefert das System nur eine geringe Ausgangsleistung von 1,3 nW, die jedoch ausreichend sein sollte, um damit eine Laseranregung des Thorium-229-Kerns nachzuweisen. Dies wird aktuell in einem Experiment zusammen mit der Technischen Universität Wien versucht.

Dass es so schnell voran geht, liegt nicht zuletzt an der zielgerichteten Förderung aus Deutschland und Europa. Das Projekt wurde vom European Research Council, der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie durch das Partnership on Metrology der Europäischen Union gefördert.

Und der weitere Weg hin zu einer echten Uhr? „Noch sind beispielsweise die optischen Ytterbium-Atomuhren bei der Langzeitstabilität viel besser“, sagt Peik. „Sie können bereits für die Steuerung der internationalen Atomzeitskala eingesetzt werden, zusätzlich zu den bewährten Cäsium-Atomuhren. Aber wenn man bedenkt, wie dramatisch schnell die Fortschritte rund um die Thorium-Kernuhr jetzt sind, so ist es nicht abwegig, vielleicht in zwei bis drei Jahren hier mit einem echten Uhrenbetrieb rechnen zu können.“
(es/ptb)

Förderung
• European Research Council https://ror.org/0472cxd90 (856415)
• Deutsche Forschungsgemeinschaft https://ror.org/018mejw64 (274200144)
• European Union, Partnership on Metrology https://ror.org/019w4f821 (23IEM03 HIOC)

wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Ekkehard Peik, Leiter des PTB-Fachbereichs 4.4 Zeit und Frequenz, Telefon: (0531) 592-4400,

Originalpublikation:
V. Lal, M. V. Okhapkin, J. Tiedau, N. Irwin, V. Petrov, E. Peik: Continuous-wave laser source at the 148 nm nuclear transition of Th-229. Optica 12, 1971–1974 (2025), https://doi.org/10.1364/OPTICA.574489