Wissenschaftler der Technischen Universität Wien (TU Wien) haben einen Prototyp einer Nuklearuhr vorgestellt, die in der Lage ist, ihre eigenen Fehler autonom zu korrigieren und über einen Tag lang ohne jegliches externes menschliches Eingreifen zu funktionieren. Das Gerät, über das in einer neuen Publikation im Fachjournal Nature berichtet wird, nutzt Kernübergänge des Thorium-Isotops als Zeitnormal, was es grundlegend von herkömmlichen optischen Atomuhren unterscheidet, die auf elektronischen Energienivaus basieren. Laut RBC-Ukraine liegt die Genauigkeit des Prototyps in der Größenordnung von 10 hoch minus fünfzehn, was einem Fehler von einer Sekunde in 30 Millionen Jahren Betrieb entspricht.
Das Prinzip der Selbststabilisierung: Warum Thorium der Schlüssel zur Zuverlässigkeit wurde
Jede Laseruhr misst die Zeit mithilfe eines Lichtstrahls; jedoch können Temperatur, Vibrationen und andere externe Faktoren dazu führen, dass der Laser seine Arbeitsfrequenz geringfügig verschiebt, was zur Akkumulation von Fehlern führt. Um dieses Problem zu lösen, platzierten die Forscher einen speziellen Kristall mit Thorium-Atomen im Inneren des Geräts. Die Einzigartigkeit von Thorium, die Physiker seit Jahrzehnten interessiert, liegt darin, dass zwei seiner nuklearen Energieniveaus unglaublich nah beieinander liegen. Dank dieser Konfiguration kann ein Laserstrahl den Atomkern leicht von einem Zustand in den anderen versetzen, und genau dieses physikalische Phänomen sorgt für die Selbststabilisierung des Systems.
Wie die Uhr die Laserabweichung „hört“
Der Selbstregulierungsmechanismus funktioniert nach folgendem Prinzip: Thoriumkerne absorbieren Laserlicht nur bei einer strikt definierten Frequenz. Wenn der Laser von der Norm abzuweichen beginnt, sinkt die Lichtabsorptionsintensität sofort. Die Uhr registriert diesen Abfall und korrigiert automatisch den Laserbetrieb, ohne den Anschluss an externe Referenzgeräte zu erfordern. Somit bildet das Gerät einen geschlossenen Regelkreis, in dem der Thoriumkristall selbst gleichzeitig als Messobjekt und Kalibrierungswerkzeug dient.
Warum Atomkerne zuverlässiger sind als ganze Atome
Die Forscher betonen, dass der Hauptvorteil des neuen Ansatzes im Maßstab liegt: Atomkerne sind mehr als 10.000 Mal kleiner als ganze Atome. Das bedeutet, dass sie viel schwächer auf externe Störungen — elektromagnetische Felder, thermische Fluktuationen, mechanische Einwirkungen — reagieren, was das gesamte System grundsätzlich widerstandsfähiger gegen Frequenzdrift macht. Genau deshalb wird das nukleare Normal als potenzieller Nachfolger optischer Atomuhren für ultrapräzise Zeitmessungsaufgaben angesehen.
Aktuelle Einschränkungen und Zukunftspläne
Messungen über den Zeitraum eines Tages bestätigten die Genauigkeit des Prototyps bei etwa 10⁻¹⁵. Obwohl dieses Ergebnis derzeit noch hinter den weltbesten optischen Atomuhren zurückbleibt, ist es für das erste Gerät dieser Klasse nach Angaben der Forscher selbst äußerst aussagekräftig. In Zukunft beabsichtigt das Team, die Genauigkeit durch den Einsatz leistungsstärkerer Laser und Thoriumkristalle mit verbesserten Reinheits- und Homogenitätseigenschaften erheblich zu steigern. Die erfolgreiche Umsetzung dieser Pläne könnte den Weg für eine neue Generation von Zeitnormalen für Navigationssysteme, fundamentale physikalische Experimente und die Synchronisierung globaler Netzwerke ebnen.
