Erste funktionsfähige Thorium-Kernuhren in Österreich und China vorgestellt

Zwei Kristalle machen aus Kernsignalen funktionsfähige Uhren

Forschungsteams in Österreich und China haben unabhängig voneinander funktionsfähige Kernuhren vorgestellt. Sie nutzen Thorium-229, das in Calciumfluoridkristalle eingebettet ist, um den Takt von Laserlicht zu steuern. Ihre am 7. Oktober 2026 in Nature veröffentlichten Arbeiten beschreiben einen Schritt hin zu stabilerer Zeitmessung und eine unmittelbare Anwendung: die Prüfung von Theorien über Dunkle Materie.

Das Wiener Experiment erreichte über einen Tag eine relative Frequenzinstabilität von 10 hoch minus 15. Das entspricht ungefähr einer Sekunde in 30 Millionen Jahren. Auch das chinesische Experiment erreichte im gemessenen Zeitraum den Bereich von 10 hoch minus 15. Beide liegen weiterhin hinter den besten optischen Atomuhren.

Der Fortschritt besteht darin, dass die Atomkerne nun kontinuierlich zur Korrektur der Laser beitragen. Frühere Experimente hatten den Thorium-Übergang aufgespürt und vermessen. Diese Systeme machen aus der Messung eine Rückkopplungsschleife, sodass das Kernsignal eine funktionierende Uhr steuern kann.

Thorsten Schumm von der TU Wien leitete das österreichische Projekt und arbeitete mit dem Team von Ekkehard Peik am deutschen nationalen Metrologieinstitut PTB in Braunschweig zusammen. Shiqian Ding leitete das chinesische Projekt, an dem die Tsinghua-Universität sowie Partner beteiligt waren, die die Kristalle in Shanghai herstellten.

Die Forschungsankündigung von Nature vom 8. Oktober stellt die beiden Arbeiten gemeinsam als erste funktionsfähige Uhren auf Basis von Thorium-229-Kernen vor. Ihr gemeinsamer Erfolg beruht auf unterschiedlichen Laserquellen, Detektoren und Kristallkonstruktionen. Damit stehen Forschenden zwei praktische Wege zur Weiterentwicklung der Technologie offen.

Was unterscheidet eine Kernuhr?

Herkömmliche Atomuhren nutzen Übergänge zwischen Energiezuständen, an denen die Elektronen eines Atoms beteiligt sind. Seit 1967 beruht die internationale Definition der Sekunde auf einem Mikrowellenübergang in Cäsium-133, der etwa 9,2 Milliarden Schwingungen pro Sekunde entspricht. Optische Atomuhren nutzen Übergänge mit wesentlich höheren Frequenzen.

Bei einer Kernuhr liegt die Referenz im winzigen Zentrum des Atoms, das aus Protonen und Neutronen besteht. Licht mit der passenden Frequenz kann einen Thorium-229-Kern in einen etwas höheren Energiezustand anheben. Forschende nutzen diese scharf definierte Reaktion, um einen Laser mit gleichbleibender Frequenz zu betreiben.

Thorium-229 ist ungewöhnlich, weil für diesen Übergang nur etwa 8,4 Elektronenvolt benötigt werden. Das lässt sich mit Licht einer Wellenlänge von etwa 148 Nanometern erreichen. Für die meisten Kernübergänge ist deutlich mehr Energie erforderlich, als gewöhnliche Präzisionslaser liefern können. Dieser besondere Übergang liegt im Vakuum-Ultraviolett, einem Bereich jenseits des ultravioletten Lichts, das von Sonnenlicht bekannt ist.

Atomkerne reagieren auf viele äußere Störungen schwächer als Elektronen. Das eröffnet die Aussicht auf eine zuverlässigere Referenz. In einem Kristall beeinflusst das umgebende Material jedoch weiterhin die gemessene Frequenz. Die Kristallqualität und die Kontrolle der Umgebungsbedingungen sind daher zentrale technische Aufgaben.

Der entscheidende Schritt ist die automatische Korrektur

Ein Laser kann driften, wenn sich seine Umgebung verändert. Beide Teams nutzten die Thoriumkerne, um diese Drift zu erkennen und eine Korrektur an den Laser zurückzumelden. Das Verfahren ähnelt einem Thermostat: Die Abweichung vom Sollwert wird gemessen und das System so nachgeregelt, dass es zum Sollwert zurückkehrt.

Die Kerne absorbieren Licht am stärksten, wenn die Laserfrequenz ihrem Übergang entspricht. Anhand von Veränderungen des durch den Kristall hindurchtretenden Lichts bestimmen die Forschenden, wie weit sich der Laser von der gewünschten Frequenz entfernt hat.

Schumm, Professor am Institut für Atom- und Subatomare Physik der TU Wien, erläuterte das Prinzip in der Ankündigung des Experiments der Universität:

Die Grundidee ist einfach: Man hat einen Laser und Thorium. Der Laser verändert den Energiezustand der Thoriumkerne, und die Thoriumkerne werden zur Stabilisierung der Laserfrequenz verwendet.

Die Absorptionsmessung ermöglicht zudem schnellere Korrekturen, als es das Warten darauf wäre, dass angeregte Kerne Licht aussenden. Das chinesische Team maß für einen angeregten Zustand eine Lebensdauer von 631 Sekunden, also etwa 10,5 Minuten. Durch Absorptionsmessungen kann das Rückkopplungssystem reagieren, während die Kerne noch angeregt sind.

Wiens Uhr lief einen Tag lang ohne Eingriff

Die Studie zur Rückkopplungsschleife des österreichischen Teams beschreibt einen kontinuierlich betriebenen Laser bei einer Wellenlänge von rund 148 Nanometern und einen nur wenige Millimeter großen Kristall. Der Kristall blieb nahe der Raumtemperatur, bei etwa 294,7 Kelvin beziehungsweise 21,6 Grad Celsius.

Das Team erzeugte das ultraviolette Licht durch Frequenzumwandlung mithilfe eines Strontiumtetraborat-Kristalls. Ein Detektor hinter dem Thoriumkristall zählte die durchgelassenen Photonen. Daraus ergab sich das Absorptionssignal, mit dem der Laser korrigiert wurde.

Nach Angaben der TU Wien lief der Prototyp mehr als 24 Stunden ohne Eingriff. Zur Leistungsbewertung verglichen die Forschenden ihn mit einer Uhr, die auf einem einzelnen Ytterbium-Ion beruht. Als Referenzsignal diente eine optische Faserverbindung vom österreichischen Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen.

Der Vergleich ergab eine relative Frequenzinstabilität von 3 × 10⁻¹² geteilt durch die Quadratwurzel der Mittelungszeit in Sekunden. Einfach ausgedrückt: Zufällige Schwankungen wurden kleiner, je mehr Messungen die Forschenden mittelten. Über einen Tag näherte sich die Instabilität dem Wert von 10⁻¹⁵.

Das Gerät kann seine laufenden Frequenzkorrekturen vom Thorium beziehen, während eine Atomuhr als externe Referenz zur Leistungsbewertung dient. Mit dieser Kombination konnten die Forschenden sowohl untersuchen, wie gleichmäßig die Uhr lief, als auch, wie ihre Kernreferenz anders reagierte als eine elektronische Referenz.

China setzte auf einen helleren Laser und verbesserte Kristalle

Die Studie zur synchronisierten Uhr des chinesischen Teams beschreibt eine andere Quelle für Licht mit einer Wellenlänge von 148,4 Nanometern. Die Forschenden kombinierten Laserfelder in auf 600 Grad Celsius erhitztem Cadmiumdampf und erzeugten so zehn Mikrowatt kontinuierliche ultraviolette Strahlung.

Etwa fünf Mikrowatt erreichten die Vorderseite des Thoriumkristalls. Auch wenn diese Leistung im Vergleich zu Haushaltsbeleuchtung sehr gering ist, erfordert die Erzeugung stetigen Lichts mit schmaler Frequenzbandbreite bei dieser Wellenlänge erhebliches technisches Können.

Das Team verbesserte außerdem die Messung der schwachen Kernabsorption. Eine Photomessröhre, die den Strom direkt maß, konnte mehr durchgelassenes Licht aufnehmen als die zuvor verwendete Photomultiplier-Anordnung. Mehr detektierte Photonen ergaben ein klareres Signal für die Korrektur des Lasers.

Auch die Entwicklung der Materialien brachte Fortschritte. Der erste Kristall, S1, wurde am Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics gezüchtet. Ein zweiter Kristall, TS1, entstand in Zusammenarbeit zwischen dem Shanghai Institute of Ceramics und der Tsinghua-Universität. TS1 ließ sieben Prozent des ultravioletten Lichts hindurch, verglichen mit etwa einem Prozent bei S1.

TS1 wurde aus einer Züchtungslösung hergestellt, die nur 1,4 Mikrogramm Thorium-229 enthielt. Die Seltenheit des Isotops ließ nur wenig Material für wiederholte Versuche zur Verbesserung des Züchtungsverfahrens übrig. Der resultierende Kristall war frei von den Blasen, die in S1 vorkamen, und lieferte ein stärkeres Absorptionssignal.

Nach weiteren Anpassungen erreichte die chinesische Uhr eine Instabilität von 5 × 10⁻¹³ geteilt durch die Quadratwurzel der Mittelungszeit in Sekunden. Der Zahlenfaktor ist sechsmal kleiner als die 3 × 10⁻¹² in Wien. Die Teams maßen die Leistung jeweils in ihrem eigenen Versuchsaufbau und unter unterschiedlichen Referenz- und Betriebsbedingungen.

Was eine Sekunde in 30 Millionen Jahren bedeutet

Der eindrucksvolle Zeitvergleich ergibt sich, wenn man eine relative Frequenzabweichung von etwa 10⁻¹⁵ als aufsummierte Zeitabweichung ausdrückt. Bei einer konstanten Abweichung dieser Größe würde es ungefähr 30 Millionen Jahre dauern, bis sich ein Fehler von einer Sekunde angesammelt hat.

Die Experimente erfassten das Verhalten der Uhren bei Laborläufen von mehreren Stunden bis zu etwa einem Tag. Die Stabilität beschreibt, wie stark die Frequenz bei zunehmender Zahl von Messungen schwankt. Die Genauigkeit gibt an, wie nahe die Frequenz nach Berücksichtigung von Verschiebungseffekten an ihrem Sollwert liegt.

Auch die Reproduzierbarkeit ist eine praktische Voraussetzung: Nach einem Neustart muss eine Uhr wieder dieselbe Frequenz erreichen. Zudem braucht ein weiteres Gerät mit einem anderen Kristall eine gut bekannte Referenzfrequenz.

Bei Messungen an verschiedenen Tagen reproduzierte Wien die Frequenz mit etwa 5 × 10⁻¹³. Das ist eine größere Abweichung als die Schwankungen, die sich durch Mittelung während eines kontinuierlichen Laufs ergaben. Die Forschenden führten das Problem auf geringe Veränderungen des Laserwegs durch den Kristall nach einer Neuausrichtung zurück.

Das chinesische Team maß zwischen seinen unabhängig hergestellten Kristallen einen Unterschied von etwa 560 Hertz. Bezogen auf eine Übergangsfrequenz von rund 2.020 Billionen Hertz entsprach dies 2,8 × 10⁻¹³. Diese Messungen liefern Materialwissenschaftlern ein konkretes Ziel für eine höhere Einheitlichkeit.

Die Uhr wird zum Experiment auf Dunkle Materie

Das Wiener Team verglich außerdem die Thorium- und Ytterbiumfrequenzen, um nach möglichen Auswirkungen ultraleichter Dunkler Materie zu suchen. Dunkle Materie ist unsichtbare Materie, auf die ihre Gravitationswirkung schließen lässt. Einige Theorien gehen von extrem leichten Teilchen aus, die Größen, von denen gewöhnliche Materie bestimmt wird, geringfügig verändern könnten.

Solche Veränderungen könnten sich unterschiedlich auf die beiden Uhren auswirken. Thoriums ungewöhnlich geringe Übergangsenergie entsteht durch die nahezu vollständige Aufhebung viel größerer elektromagnetischer und nuklearer Energiebeiträge. Eine kleine Veränderung dieser Beiträge könnte daher eine vergleichsweise große Änderung der Übergangsfrequenz bewirken.

Die Forschenden suchten nach periodischen Schwankungen und langsamen Drifts auf Zeitskalen von etwa 20 Sekunden bis zu einem Tag. Kein periodisches Signal überschritt ihre Nachweisgrenze. Anhand der Messungen legten sie Obergrenzen für die Stärke der in den Dunkle-Materie-Modellen vorgeschlagenen Wechselwirkungen fest.

Bei Wechselwirkungen mit Photonen waren die Grenzen mit denen führender vergleichbarer Atomuhrexperimente konkurrenzfähig. Für einige Wechselwirkungen mit der starken Kernkraft und Quarks erreichte die Analyse eine 10- bis 1.000-mal höhere Empfindlichkeit als frühere Atomuhrexperimente.

Die genaue Empfindlichkeit hängt von Kerneigenschaften ab, die sich bislang nicht präzise berechnen lassen. Selbst mit ihrer derzeitigen Zeitmessleistung ermöglicht die Kernuhr Forschenden den Zugang zu einer anderen physikalischen Reaktion als bei einer elektronischen Uhr. Dadurch ist der Vergleich für die Grundlagenphysik nützlich.

Wie jahrzehntelange Arbeit zu diesem Ergebnis führte

Den funktionsfähigen Uhren ging ein langer Forschungsprozess voraus, in dem der Thorium-Übergang so genau bestimmt wurde, dass ihn ein Laser anregen konnte. Jede Etappe verringerte die Unsicherheit oder ergänzte einen noch fehlenden Teil des Versuchsaufbaus.

• 1976: Mit der Gammastrahlenspektroskopie begann eine Forschungsreihe, die den Energiewert des niedrigsten angeregten Zustands von Thorium-229 eingrenzte.
• 2003: Ekkehard Peik und Christian Tamm schlugen vor, den Übergang als Referenz für eine Kernuhr zu verwenden.
• 2016: Forschende bestätigten die Existenz des angeregten Kernzustands anhand seines Zerfalls.
• April 2024: Die Zusammenarbeit zwischen der TU Wien und der PTB wies die Laseranregung des Thorium-Kernübergangs nach.
• September 2024: Ein Team mit Schwerpunkt am JILA maß die Übergangsfrequenz mithilfe eines optischen Frequenzkamms und einer Strontium-Atomuhr auf zwölf signifikante Stellen genau.
• 2025: Fortschritte bei kontinuierlich betriebenen Ultraviolettlasern ermöglichten schnellere Absorptionsmessungen.
• 7. Oktober 2026: Die österreichischen und chinesischen Arbeiten beschrieben funktionsfähige Uhren, deren Laser Rückkopplungssignale vom Kernübergang erhalten.

Der entscheidende Wandel im Jahr 2026 bestand darin, Lichtquelle, Kristall, Detektor und automatisches Korrektursystem zu einer funktionierenden Frequenzreferenz zu verbinden. Beide Teams bauten auf der früheren Spektroskopie auf und lösten die Regelungsaufgabe mit unterschiedlichen Versuchsaufbauten.

Besseres Licht und bessere Materialien sind die nächsten Aufgaben

Das Wiener Experiment ergab Unterschiede von bis zu etwa 1,7 Kilohertz, wenn der Laser verschiedene Stellen desselben Kristalls untersuchte. Die Forschenden vermuten, dass ungleichmäßige innere Spannungen aufgrund struktureller Unterschiede dafür verantwortlich sind. Wenn der Strahl stets dasselbe Volumen trifft, das Thorium gleichmäßiger verteilt ist und die Kristallzüchtung verbessert wird, könnte sich die Frequenz besser reproduzieren lassen.

Die gemessene Resonanzbreite betrug im Wiener Versuchsaufbau etwa 100 Kilohertz und beim chinesischen Uhrübergang in TS1 27 Kilohertz. Bei einer schmaleren Resonanz lässt sich eine geringe Frequenzverschiebung leichter erkennen. Die verfügbare Lichtmenge und das Detektorrauschen beeinflussen die Leistung jedoch ebenfalls.

Das chinesische Team kontrollierte die Kristalltemperatur und schirmte magnetische Felder ab, um Störungen zu verringern. Seine Messungen zeigten, dass Temperaturschwankungen von drei Tausendstel Grad mit Frequenzschwankungen von etwa sechs Hertz verbunden waren. Das verdeutlicht, warum die Kontrolle der Umgebungsbedingungen auch bei einer Kernreferenz wichtig bleibt.

Das Team von Schumm geht davon aus, dass sich die Stabilität mit weiterer Entwicklung um etwa vier Größenordnungen beziehungsweise um den Faktor 10.000 verbessern ließe. Zu den vorgeschlagenen Änderungen zählen stärkere Ultraviolettlaser und bessere Thoriumkristalle. Ein Zeitplan für das Erreichen dieser Leistung wurde nicht angekündigt.

Atomuhren unterstützen bereits Satellitennavigation, Kommunikation und präzise Zeitstempel. Der unmittelbare Erfolg ist hier eine neue Laborreferenz und ein funktionsfähiges Werkzeug für physikalische Experimente. Einheitlichere Kristalle, ein stabilerer Betrieb und eine bessere Kontrolle der Frequenzverschiebungen sind praktische Schritte hin zu einer breiteren Nutzung.

Die wichtigsten Punkte

• Teams in Österreich und China veröffentlichten am 7. Oktober 2026 unabhängig voneinander die Demonstration funktionsfähiger Kernuhren mit Thorium-229.
• Beide Uhren nutzen die Kernabsorption in Calciumfluoridkristallen, um die Frequenz eines Lasers automatisch zu korrigieren.
• Die Experimente erreichten eine Frequenzinstabilität von etwa 10⁻¹⁵. Die besten optischen Atomuhren sind weiterhin leistungsfähiger.
• Die Wiener Uhr lief mehr als einen Tag ohne Eingriff und setzte Grenzen für vorgeschlagene Wechselwirkungen mit ultraleichter Dunkler Materie.
• Das chinesische Team verbesserte die Leistung mit einer helleren Ultraviolettquelle, einem anderen Detektor und einem transparenteren Kristall.
• Stärkere Laser und gleichmäßigere Kristalle sind entscheidend für eine höhere Stabilität und Reproduzierbarkeit.