Präzise Zeitmessung

Atomuhren sind die genauesten Messinstrumente überhaupt, sie gehen erst nach Milliarden Jahren um eine Sekunde vor oder nach.

An der TU Wien möchte man aber noch einen Schritt weitergehen. Mit Hilfe von Thorium-229-Kernen soll eine Atomkern-Uhr entwickelt werden, die noch deutlich präziser und gleichzeitig einfacher und robuster ist als bisherige Atomuhren. Damit ließe sich sogar untersuchen, ob die Naturkonstanten tatsächlich konstant sind, oder sich im Lauf der Zeit minimal verändern. Im Rahmen des Wissenschaftsförderungsprogramms Horizon 2020 fördert die EU nun das Forschungsprojekt „nuClock“ für vier Jahre mit insgesamt vier Millionen Euro, an dem neben der TU Wien auch andere Universitäten und Firmen aus Deutschland und Finnland beteiligt sind.


Jede Uhr braucht eine möglichst konstante Schwingung, die den Takt angibt. Das kann die Schwingung eines Pendels sein, die Oszillation eines Kristalls in einer Quarzuhr – oder aber der Schwingungstakt des Lichts, das von Atomen absorbiert wird. Die Sekunde ist heute als jene Periode definiert, in der das charakteristische Licht des Übergangs zwischen zwei Zuständen des Cäsium-Atoms genau  9.192.631.770mal schwingt.
 
Alle bisherigen Atomuhren nutzen Übergänge in der Elektronenhülle des Atoms. Viel besser wäre es allerdings, statt der Elektronen im Atom den Atomkern selbst zu verwenden. Die Thorium-Kerne muss man nicht einmal isoliert untersuchen, man kann sie sogar in Kristalle einbauen und wird noch immer dieselben Energiezustände messen. Für eine Atomkernuhr besonders geeignet ist Thorium-229, ein Isotop, das nur künstlich hergestellt werden kann und in weniger als einem Milligramm derzeit weltweit verfügbar ist. Der Kern von Thorium-229 kann mit sehr wenig Energie in einen angeregten Zustand versetzt werden, der nach sehr langer Zeit wieder in den Grundzustand zurückfällt. Man muss den Thoriumkern nur mit genau der richtigen Lichtfrequenz bestrahlen, dann absorbiert er die Strahlung, geht in den etwas höheren Energiezustand über, wechselt dann ein paar tausend Sekunden später wieder in den ursprünglichen Zustand zurück und sendet dabei wieder Licht aus, das gemessen werden kann. Die exakte Frequenz zu bestimmen ist Aufgabe des Forschungsvorhabens.  Bild: TU Wien – Eine Scheibe, die Thorium-229-Kerne enthält. Sie sollen in künftigen Kern-Uhren den Takt angeben. Erstellt am 1. April 2015

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