Erste selbststabilisierende Kernuhr tickt in Wien

Ein Team der TU Wien hat gemeinsam mit der PTB die laut TU Wien erste selbststabilisierende Kernuhr gebaut, die mehr als 24 Stunden lang ohne Eingriff stabil lief. Die erreichte Präzision liegt laut TU Wien bei etwa 10 hoch minus 15, was einem Fehler von ungefähr einer Sekunde in 30 Millionen Jahren entspricht. Das sei noch nicht das Niveau der weltbesten optischen Atomuhren, für einen ersten Prototyp aber laut Thorsten Schumm „ein fantastisches Ergebnis“.

Wie die Uhr ihre Laserfrequenz selbst reguliert

Gewöhnliche Atomuhren nutzen Atome und die Energiezustände ihrer Elektronen, um die Frequenz eines Lasers stabil zu halten, Schumms Team verwendet stattdessen Atomkerne. Im Zentrum steht ein an der TU Wien hergestellter Kristall, in den die Thoriumkerne bei Raumtemperatur in einen millimetergroßen Calciumfluoridkristall eingebettet sind und der mit Laserlicht bestrahlt wird. Wie Schumm erklärt, kann die Schwingung des Laserlichts zwar grundsätzlich zur Zeitmessung dienen, die Frequenz aber etwa durch Temperaturschwankungen leicht abdriften, weshalb für hochpräzise Messungen ein Stabilisierungsmechanismus nötig ist. Die Thoriumkerne absorbieren das Laserlicht nur, wenn dessen Frequenz exakt passt, weicht sie geringfügig ab, sinkt die absorbierte Leistung messbar und der Laser wird automatisch nachgeregelt. Atomkerne sind nach Angaben der TU Wien mehr als zehntausendmal kleiner als Atome und reagieren erheblich schwächer auf äußere Störungen. Technisch beruht das auf kontinuierlicher Absorptionsspektroskopie am Kernübergang bei 148 Nanometern, wie die Autoren der zugrunde liegenden Studie schreiben, zur Kontrolle verglichen sie eine Subharmonische dieser Strahlung zusätzlich fortlaufend mit einer Yb+-Einzelionenuhr beim BEV.

Rund zwanzig Jahre bis zur passenden Laserfrequenz

Dass Thoriumkerne dafür infrage kommen, schlug der PTB-Physiker Ekkehard Peik 2003 als Prinzip einer Kernuhr vor, es dauerte rund 20 Jahre, bis er gemeinsam mit Schumm die exakt passende Laserfrequenz fand. Thorium-229 besitzt zwei besonders eng benachbarte Energiezustände, sodass laut Peik ein einzelner Laser genügt, um den Zustand des Atomkerns zu verändern, anders als bei sonst zu dicht gepackten Kernteilchen. Im April 2024 gelang Schumms Team an der TU Wien gemeinsam mit Peiks Gruppe an der PTB erstmals der Nachweis dieses Kernübergangs, im Herbst desselben Jahres koppelten sie den Aufbau an eine herkömmliche optische Atomuhr. Das zunächst genutzte Lasersystem benötigte laut Peik mehrere Quadratmeter auf optischen Tischen und funktionierte nur gepulst, gemeinsam mit dem Max-Born-Institut stellte sein Team im Dezember 2025 einen kompakten, kontinuierlich emittierenden Festkörperlaser mit sehr hoher Frequenzauflösung vor. Dieser neue Laser erlaubte es laut pro-physik.de, die von den Kernen absorbierte Leistung ohne Zeitverzögerung zu messen und die Laserfrequenz darüber kurz- und langfristig an die Kernresonanz zu binden.

Im Vergleich: Wien und Peking fast zeitgleich

Am selben Tag wie die Wiener Ergebnisse erschien in Nature auch die Arbeit eines Teams der Tsinghua-Universität in Peking, das laut futurezone ebenfalls eine selbststabilisierende Atomkernuhr auf Basis von Thorium-229 vorgestellt hat. Laut C&EN handelt es sich um die ersten funktionierenden Kernuhren überhaupt, ein Konzept, das Physiker schon seit 2003 theoretisch beschrieben hatten. Chinesische Medien erklärten die eigene Uhr daraufhin für überlegen, futurezone schränkt das aber ein: Die beiden Systeme unterscheiden sich im Ansatz und wurden nicht direkt miteinander verglichen. Das chinesische Team maß demnach eine um den Faktor 6 bessere Kurzzeitstabilität, nutzte dafür aber den eigenen Regelkreis als Referenz und eine deutlich höhere Laserleistung, während Wien die Stabilität zusätzlich mit einer herkömmlichen Atomuhr verglich. Stabilität beschreibt dabei nur, wie gleichmäßig eine Uhr tickt, Genauigkeit dagegen die Nähe zur tatsächlichen Zeit und diese Genauigkeit war laut futurezone weder Ziel der Wiener noch der chinesischen Forschung. Auch der Abstand zu den besten optischen Atomuhren bleibt bestehen: Diese würden laut einem Bericht des Fachmagazins C&EN um eine Sekunde in hunderten Milliarden Jahren abweichen.

Woran es noch hapert, damit die Kernuhr mithalten kann

Laut TU Wien soll die Präzision nun durch mehrere Maßnahmen deutlich verbessert werden, etwa durch stärkere Laser und bessere Thoriumkristalle. Auch Peik benennt laut einer Mitteilung von EurekAlert klare technische Grenzen, Lasersysteme und Thoriumkristalle müssten weiter verbessert werden, damit die Kernuhr wirklich konkurrenzfähig wird. Die neuen Messmöglichkeiten wurden laut EurekAlert bereits für erste physikalische Untersuchungen genutzt, etwa zu den Positionen der Thoriumkerne im Kristallgitter und für einen vorläufigen Test auf mögliche Kopplungen an bestimmte Formen Dunkler Materie. Ein Signal für eine solche Kopplung fanden die Studienautoren bei einer rund 23-stündigen Messung an keiner der untersuchten Frequenzen. Die Wiener Kernuhr bleibt nach Einschätzung von Thorsten Schumm ein erster, aber vielversprechender Prototyp.