Erste funktionsfähige Thorium-Kernuhren machen Atomkerne zu Zeitmessern

Eine Kernuhr läuft länger als einen Tag

Ein Prototyp in Wien hat seinen Laser mehr als 24 Stunden lang ohne Eingriff mit Thoriumkernen synchronisiert. Unabhängig davon demonstrierte ein Team in Peking eine ähnliche Uhr mit einem stärkeren Ultraviolettlaser und nur 1,4 Mikrogramm Thorium 229 für das Wachstum eines ihrer Kristalle. Die beiden am 7. Oktober 2026 in Nature veröffentlichten Ergebnisse führen Kernuhren von Messungen an einem vielversprechenden Atomkern hin zu Geräten, die ihren Takt selbst regulieren können.

Die europäische Zusammenarbeit unter Leitung von Thorsten Schumm von der TU Wien und Ekkehard Peik von der deutschen nationalen Metrologiebehörde PTB erreichte nach einem Tag Mittelung eine Frequenzinstabilität von nahezu einem Teil in einer Billiarde. Die chinesische Zusammenarbeit unter Leitung von Shiqian Ding von der Tsinghua-Universität berichtete einen kleineren Instabilitätskoeffizienten, der unter der angegebenen Mittelungsbeziehung auf eine etwa sechsmal höhere Stabilität hindeutet.

Keiner der beiden Prototypen hat die besten optischen Atomuhren übertroffen. Die entscheidende Neuerung besteht vielmehr darin, dass ein Kernübergang nun die Rückkopplung für die Steuerung einer funktionierenden Uhr liefert. Das Wiener Team hat diese Fähigkeit bereits genutzt, um nach ultraleichter dunkler Materie zu suchen. Es fand zwar kein Signal, konnte aber Grenzen für einige vorgeschlagene Wechselwirkungen festlegen.

In ihrer Ankündigung der Kernuhr beschreibt die TU Wien ein System, das die Laserfrequenz automatisch korrigiert, wenn sich die Reaktion der Thoriumkerne verändert. Schumm, Professor am Institut für Atom- und Subatomare Physik der Universität, erklärt das zentrale Ziel:

Was man wirklich möchte, ist eine selbststabilisierende Kernuhr.

Dieser Unterschied hebt die Demonstrationen von früheren Experimenten ab, bei denen Thoriumkerne angeregt oder ihre Übergangsfrequenz gemessen wurde, während eine externe Uhr das Licht stabilisierte.

Was ist das Besondere an Thorium 229?

Eine optische Atomuhr nutzt einen Übergang zwischen Elektronenenergieniveaus als Frequenzreferenz. Bei einer Kernuhr wird diese Referenz in den Atomkern verlegt, wo Protonen und Neutronen verschiedene Quantenzustände einnehmen können. In beiden Fällen liefern die regelmäßigen Lichtschwingungen den Takt, während der ausgewählte Übergang den Laser auf der richtigen Frequenz hält.

Die meisten Kernübergänge erfordern weit mehr Energie, als herkömmliche Laser liefern können. Thorium 229 ist der einzige bekannte Atomkern mit einem Übergang, der sich mit heutiger Lasertechnik direkt erreichen lässt. Sein ungewöhnlich niedriger angeregter Zustand, Isomer genannt, liegt etwa 8,4 Elektronenvolt über dem Grundzustand. Diese Energie entspricht ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 148 Nanometern.

Dieses Licht liegt im Vakuum-Ultraviolettbereich und lässt sich nur schwer erzeugen und handhaben. Eine ausreichend stabile, schmalbandige Laserfrequenz bei dieser Wellenlänge bereitzustellen, war für beide Teams eine der zentralen technischen Herausforderungen.

„Kern“ bedeutet nicht, dass die Uhr mit einem Reaktor, durch Kernspaltung oder Kernfusion betrieben wird. Thorium 229 ist radioaktiv, doch sein Zerfall ist nicht der Taktgeber. Die Uhr verwendet Laserlicht, um einen Übergang im Atomkern anzuregen.

Atomkerne sind mehr als zehntausendmal kleiner als Atome und werden teilweise von den sie umgebenden Elektronen abgeschirmt. Sie reagieren im Allgemeinen weniger stark auf äußere elektrische und magnetische Störungen. Das könnte stabilere Frequenzreferenzen ermöglichen. Die aktuellen Experimente zeigen zugleich, dass sich nicht jeder Umgebungseinfluss dadurch ausschalten lässt, dass man die Kerne in einen Kristall einbettet.

Wie der Kristall den Laser korrigiert

Beide Teams betteten Thorium 229 in Calciumfluoridkristalle ein und bestrahlten sie mit kontinuierlichem Laserlicht nahe 148,4 Nanometern. Trifft das Licht die ausgewählte Kernübergangsfrequenz, absorbieren die Kerne es. Ein Detektor misst das durchgelassene Licht und ermöglicht es den Forschenden festzustellen, ob der Laser von der Resonanzfrequenz abgewichen ist.

Eine elektronische Rückkopplungsschleife passt daraufhin die Laserfrequenz an und bringt sie wieder auf den richtigen Wert. Der Atomkern ist nicht mehr bloß Gegenstand einer Messung. Seine Reaktion steuert den Oszillator, der das Taktsignal liefert.

Die Studie zur Wiener Uhr des europäischen Teams unter Leitung von Luca Toscani de Col beschreibt eine schnelle Rückkopplung auf Grundlage der Absorptionsspektroskopie in einem nur wenige Millimeter großen Kristall, der bei Raumtemperatur betrieben wird. Ein separater optischer Resonator sorgt für Stabilität über kurze Zeiträume, während der Kernübergang längerfristige Drift korrigiert.

Die Absorption ist entscheidend, denn auf die Lichtemission angeregter Kerne zu warten, kann lange dauern. Laut der Wiener Studie liefert die Absorptionsmessung pro Sekunde etwa tausendmal mehr Signalphotonen als der Nachweis von Fluoreszenz. Dadurch sind Korrekturen in kürzeren Zeiträumen als der Lebensdauer des angeregten Zustands möglich, und Veränderungen des Übergangs lassen sich schneller untersuchen.

Zwei Labore, unterschiedliche technische Ansätze

Die europäische Zusammenarbeit umfasst Forschende aus Deutschland, Österreich und Tschechien. An dem Pekinger Projekt sind die Tsinghua-Universität, die Beijing Academy of Quantum Information Sciences und Kooperationspartner in ganz China beteiligt. Beichen Huang steht an der Spitze der Autorenliste der chinesischen Studie.

Wien verwendete einen Kristall mit höherer Thoriumkonzentration. Peking glich den begrenzten Isotopenvorrat mit deutlich mehr Laserleistung aus. Beide Ansätze zielen auf dasselbe Problem: ein ausreichend starkes nutzbares Absorptionssignal zu erhalten, um festzustellen, wie weit der Laser von der Kernresonanz entfernt ist.

Die Studie zur Tsinghua-Uhr beschreibt eine Quelle, die durch die Kombination von Laserfeldern in Cadmiumdampf 10 Mikrowatt ultraviolettes Licht erzeugt. Etwa 5 Mikrowatt erreichten die Vorderseite des Kristalls. Der europäische Aufbau nutzte ein anderes nichtlineares Umwandlungsverfahren mit einem Strontiumtetraboratkristall.

Das verbesserte Calciumfluorid des Pekinger Teams wurde aus einer Lösung mit nur 1,4 Mikrogramm Thorium 229 und einer Aktivität von 10 Kilobecquerel gezüchtet. Diese Aktivität misst radioaktive Zerfälle, nicht die Taktimpulse der Uhr. Laut der Studie lässt der Mangel an Isotopen bei wiederholten Versuchen zur Optimierung des Kristallwachstums kaum Spielraum.

Shiqian Ding, Physiker an der Tsinghua-Universität, sagt, die unabhängigen Demonstrationen stärkten das Vertrauen darin, dass das Uhrenkonzept mit verschiedenen technischen Ausführungen funktioniert:

[Wir haben] unabhängig voneinander gearbeitet und gleichzeitig betriebsfähige Thorium-229-Kernuhren entwickelt, wobei wir unterschiedliche experimentelle Ansätze genutzt haben. Das ist sehr ermutigend, denn es zeigt, dass das Konzept robust und nicht von einer bestimmten technischen Umsetzung abhängig ist.

Beide Gruppen wollen ihre Systeme verbessern und Erkenntnisse aus den beiden Ansätzen miteinander verbinden. Mehr Atomkerne und mehr nutzbares ultraviolettes Licht könnten gemeinsam ein stärkeres Signal liefern als jeder der beiden Vorteile für sich genommen.

Wie präzise sind die Prototypen?

Die Wiener Studie berichtet eine relative Frequenzinstabilität von 3 × 10^-12 geteilt durch die Quadratwurzel der Mittelungszeit in Sekunden. Die chinesische Studie gibt unter derselben Skalierung einen Wert von 5 × 10^-13 an. Das Verhältnis der beiden Koeffizienten beträgt sechs und bildet die Grundlage für den Vergleich der beiden Uhren.

Die Frequenzinstabilität beschreibt, wie stark die Taktrate einer Uhr während einer Messung schwankt. Durch Mittelung lassen sich zufällige Schwankungen verringern. Die Genauigkeit beantwortet eine andere Frage: Wie nahe liegt die gemessene Frequenz nach Berücksichtigung von Verzerrungen am richtigen Wert? Bei der Reproduzierbarkeit geht es darum, ob ein weiterer Messlauf oder ein anderer Kristall dasselbe Ergebnis liefert.

Dolores del Campo Maldonado, Direktorin der Abteilung für mechanische Größen und Ingenieurwissenschaften am spanischen Metrologiezentrum, nennt die bessere Stabilität der chinesischen Uhr über kurze Zeiträume und den Vergleich des österreichischen Experiments mit einer Ytterbiumuhr als unterschiedliche Stärken. Keines der Ergebnisse belegt eine generelle Überlegenheit gegenüber den besten Atomuhren.

Die Angaben dazu, welchem Zeitfehler diese Ergebnisse entsprechen, unterscheiden sich. Die TU Wien nennt für den Wiener Prototyp auf Grundlage einer Präzision nahe 10^-15 ungefähr eine Sekunde in 30 Millionen Jahren. Ein anderer Bericht nennt etwa eine Sekunde in 3 Millionen Jahren für die europäische Uhr und 19 Millionen Jahre für das chinesische Gerät. Eine frühere Beschreibung des chinesischen Ergebnisses bezifferte dessen Instabilität nach einem Tag auf ungefähr einen Teil in 10 Billionen; die abschließende Studie berichtet dagegen eine Mittelung bis auf das Niveau von 10^-15 über das gemessene Zeitintervall.

Diese Zahlen sind nicht als austauschbare Garantien für absolute Genauigkeit zu verstehen. Am verlässlichsten ist der Vergleich anhand der veröffentlichten Instabilitätsmessungen und der jeweiligen Mittelungsbedingungen. Die derzeitigen optischen Atomuhren liegen weiterhin vorn: Ihre Leistung entspricht laut Berichten einem Zeitfehler von einer Sekunde in mehreren zehn Milliarden Jahren. Für eine Ytterbiumuhr werden beispielsweise 23 Milliarden Jahre genannt.

Der Kristall beeinflusst das Ergebnis weiterhin

Die Wiener Studie ergab, dass die an verschiedenen Tagen gemessenen Frequenzen nur auf etwa 5 × 10^-13 reproduzierbar waren und damit schlechter als die bei einem durchgehenden Messlauf erreichte Stabilität. Vor jedem Lauf musste der Laser neu ausgerichtet werden, sodass er leicht unterschiedliche Bereiche des Kristalls durchstrahlte.

Messungen an verschiedenen Stellen zeigten Verschiebungen der zentralen Übergangsfrequenz von bis zu 1,7 Kilohertz. Die Forschenden vermuten lokale Spannungen infolge einer ungleichmäßigen Kristallstruktur. Wiederholte Messungen an derselben Stelle ergaben reproduzierbare Ergebnisse. Das stützt die Notwendigkeit, den Strahlengang des Lasers durch das Material zu kontrollieren.

Das Pekinger Team untersuchte zwei unabhängig voneinander hergestellte Kristalle. Ihre gemessenen Übergangsfrequenzen unterschieden sich um etwa 560 Hertz. Das entspricht einer relativen Differenz von 2,8 × 10^-13 bei einer Unsicherheit von 0,6 × 10^-13. Innerhalb der kombinierten Unsicherheiten stimmten beide außerdem mit früheren Messungen an anderen Calciumfluoridkristallen am JILA in den Vereinigten Staaten überein.

Der Pekinger Aufbau kontrollierte Temperaturschwankungen und verwendete eine magnetische Abschirmung. Der verbesserte Kristall ließ 7 Prozent des ultravioletten Lichts durch, verglichen mit etwa 1 Prozent beim früheren Kristall. Zusammen mit Änderungen am Detektor und einem stärkeren Absorptionssignal verringerten diese Verbesserungen das Messrauschen erheblich.

Akio Kawasaki vom japanischen nationalen Metrologieinstitut bezeichnet äußere elektrische Felder als eine wichtige Quelle für Unsicherheiten der Uhr. Kernübergänge bieten Schutz vor solchen Störungen. Die Ergebnisse der Prototypen zeigen jedoch, warum Materialqualität, Temperaturkontrolle und eine sorgfältige Bewertung von Frequenzverschiebungen weiterhin notwendig sind.

Eine Suche nach dunkler Materie ohne Nachweis

Das Wiener Team verglich seine Kernuhr über eine stabilisierte optische Glasfaserverbindung mit einer Ytterbium-Ionenuhr beim österreichischen Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen. Das Experiment suchte über einen Zeitraum von rund 23 Stunden nach periodischen Schwankungen und langsamen Driftänderungen im Frequenzverhältnis. Es untersuchte dabei Zeiträume von 20 Sekunden bis etwa einem Tag.

Einigen Theorien zufolge könnte ultraleichte dunkle Materie winzige Schwingungen fundamentaler Konstanten verursachen. Kern- und Elektronenübergänge würden unterschiedlich darauf reagieren, weshalb sich ein solcher Effekt durch den Vergleich der beiden Uhren untersuchen lässt. Es trat kein statistisch signifikantes periodisches Signal auf, und die gemessene langsame Drift war mit null vereinbar.

Das Ausbleiben eines Signals ermöglichte es dem Team, mögliche Wechselwirkungen mit Photonen, der starken Kernkraft und Quarkmassen einzugrenzen. Die Grenzen für Photonenkopplungen konkurrieren mit denen führender vergleichbarer Atomuhren. Für bestimmte Wechselwirkungen mit der starken Kraft und den Quarks erreicht die Studie eine Empfindlichkeit, die in den untersuchten Parameterbereichen zehn- bis tausendmal weiter reicht als frühere Atomuhrenexperimente.

Der Vorteil von Thorium liegt in seiner ungewöhnlichen Energiebilanz. Viel größere elektromagnetische und nukleare Beiträge heben sich nahezu auf, sodass der kleine Übergang von 8,4 Elektronenvolt übrig bleibt. Eine geringfügige Veränderung dieser Beiträge könnte deshalb eine vergleichsweise große Änderung der Uhrfrequenz bewirken.

José R. Crespo López-Urrutia, Forscher am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, schätzt, dass die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten hypothetischen Effekten dunkler Materie fast 10.000-mal höher sein könnte als bei den besten optischen Atomuhren. Das bezieht sich auf mögliche Reaktionen auf ausgewählte Effekte, nicht auf eine allgemeine Verbesserung der Zeitmessung oder einen Nachweis dunkler Materie. Er legte offen, dass er zuvor mit einigen Autorengruppen zusammengearbeitet hatte, an diesen Studien jedoch nicht direkt beteiligt war.

Die Wiener Studie weist außerdem darauf hin, dass sich die genauen Empfindlichkeitsfaktoren noch nicht berechnen lassen, weil einige Kernparameter unbekannt sind. Ihre Ergebnisse schränken bestimmte Modelle und Wechselwirkungen ein, nicht alle denkbaren Formen dunkler Materie.

Die Meilensteine auf dem Weg zu den funktionierenden Uhren

Den neuesten Ergebnissen gingen jahrelange Arbeiten voraus, mit denen die Existenz des angeregten Zustands nachgewiesen, seine Energie bestimmt und geeignete Laser entwickelt wurden. Schumm zufolge arbeitet sein Team seit 2008 an einer Kernuhr. Peik und Christian Tamm schlugen den Thoriumuhren-Ansatz 2003 vor.

• 2016: Forschende wiesen laut dem historischen Überblick der Wiener Studie die Existenz des Thoriumisomers anhand seines Zerfalls nach.
• 12. September 2019: Die TU Wien beschrieb zwei Experimente, die das Wissen über den Übergang verfeinerten, noch bevor es eine funktionierende Uhr gab.
• April 2024: Die Zusammenarbeit zwischen TU Wien und PTB regte den Thorium-Kernübergang direkt mit Laserlicht an.
• Herbst 2024: Forschende koppelten einen Versuchsaufbau zur Thoriumanregung an eine herkömmliche optische Atomuhr.
• 2025: Kontinuierliche Ultraviolettlaserquellen und Absorptionsmessungen ermöglichten eine anhaltende Untersuchung des Übergangs.
• 7. Oktober 2026: Zwei Studien in Nature berichteten von betriebsfähigen Kernuhren mit Rückkopplung.

Die Meilensteinmeldung der TU Wien aus dem Jahr 2019 beschreibt eine indirekte Messung mit Thoriumionen, die beim Zerfall von Uran 233 entstehen. Etwa 2 Prozent befanden sich im angeregten Zustand. Beim Durchgang durch Graphen wurden die Ionen neutralisiert; die Energie der anschließend emittierten Elektronen half dabei, die Energie des Kernzustands zu bestimmen.

Bei einem separaten Experiment in Japan wurden intensive Röntgenstrahlen aus einem Synchrotron genutzt, um einen viel höher liegenden Kernzustand anzuregen, der anschließend überwiegend in das gewünschte Isomer zerfiel. Diese Arbeiten dienten dazu, den Übergang zu lokalisieren und zu messen, waren aber keine Demonstrationen einer funktionierenden Uhr.

Ein akademischer Überblick von quantA bescheinigt der Gruppe um Schumm, die Übergangsenergie auf zwölf Dezimalstellen bestimmt und die Anregung mit Ultraviolettlicht durch Erzeugung hoher Harmonischer entwickelt zu haben. Darin wird der Bau der Prototypen als technische Entwicklungsphase im Rahmen des Exzellenzclusters quantA und eines ERC-Synergy-Projekts beschrieben. Die neuen Demonstrationen mit Rückkopplung gehen über diese frühere Phase hinaus.

Was muss sich vor einem praktischen Einsatz noch verbessern?

Zu den unmittelbaren Prioritäten gehören stärkere und stabilere Laser, bessere Detektoren sowie reinere und gleichmäßigere Kristalle. Wien muss die Reproduzierbarkeit zwischen den Messläufen verbessern. Peking untersucht bessere Wirtsmaterialien und eine mögliche Thorium-Ionenuhr, bei der die Atomkerne noch stärker isoliert wären, die technisch aber schwieriger zu bauen wäre.

Auch die Angaben zur Resonanzbreite unterscheiden sich. Peik nennt eine gemessene Breite von 30 Kilohertz, während die Wiener Studie in ihrer Leistungsanalyse für die Uhr etwa 100 Kilohertz ansetzt. Die chinesische Studie gibt für den ausgewählten Übergang im verbesserten Kristall 27 Kilohertz an. Diese Messwerte sollten nicht zu einer einzigen Resonanzbreite zusammengefasst werden. Alle sind deutlich größer als die erwartete natürliche Kernresonanz und weisen damit auf weiteres Verbesserungspotenzial hin.

Zu den möglichen Anwendungen zählen Satellitennavigation, Telekommunikation, die Synchronisierung von Datenübertragungen und Vermessung. Die Erklärung der TU Wien zu den Anwendungsmöglichkeiten aus dem Jahr 2024 beschreibt außerdem, wie sich das Schwerefeld der Erde anhand des Einflusses der Gravitation auf die Taktraten von Uhren messen ließe. Das könnte bei der Suche nach Bodenschätzen und bei der Erforschung der Plattentektonik helfen. Die dort erwähnte Erdbebenvorhersage ist eine mögliche künftige Anwendung, keine bereits nachgewiesene Fähigkeit.

Daniel de Mercado, Physiker am spanischen Metrologiezentrum, erklärt, dass präzise Messungen von Übergängen prüfen können, ob beobachtete Werte von theoretischen Vorhersagen abweichen. Solche Unterschiede könnten auf unbekannte Wechselwirkungen hindeuten. Bei den derzeitigen Prototypen ist diese Forschungsrolle unmittelbarer als ein Einsatz anstelle von Uhren in der alltäglichen Infrastruktur.

Del Campo sieht eine Genauigkeit jenseits von 10^-19 als möglichen künftigen Vorteil, bezweifelt aber, dass Kernuhren rechtzeitig bereit sein werden, um eine mögliche Neudefinition der Sekunde im Jahr 2030 zu beeinflussen. Zu den Demonstrationen gehört weder ein bestätigter Einsatztermin noch ein geplanter Ersatz bestehender Zeitstandards. Als Nächstes muss gezeigt werden, dass verbesserte Geräte eine geringe Instabilität, reproduzierbare Frequenzen und eine gut verstandene Genauigkeit miteinander verbinden können.

Die wichtigsten Punkte

• Unabhängige Teams aus Europa und China berichteten am 7. Oktober 2026 in Nature von funktionierenden Thorium-Kernuhren.
• Beide Uhren nutzen ultraviolette Absorption in Calciumfluoridkristallen mit Thorium, um ihre Laserfrequenzen zu korrigieren.
• Der Wiener Prototyp lief mehr als 24 Stunden ohne Eingriff.
• Der berichtete Instabilitätskoeffizient der chinesischen Uhr ist sechsmal kleiner als der der europäischen Uhr.
• Keiner der beiden Prototypen übertrifft bisher die besten optischen Atomuhren.
• Die Suche nach dunkler Materie in Wien ergab kein Signal, grenzte aber ausgewählte theoretische Wechselwirkungen ein.
• Gleichmäßige Kristalle, Laserleistung und Reproduzierbarkeit bleiben zentrale Herausforderungen vor einem praktischen Einsatz.