Ein Thorium-Atomkern könnte der Schlüssel zu einer präziseren Kernuhr sein

Sep 15, 2023

Titel: Ein Thorium-Atomkern könnte der Schlüssel zu einer präziseren Kernuhr sein

Laut einem in der Nature-Ausgabe vom 25. Mai veröffentlichten Bericht haben Forscher herausgefunden, dass ein bestimmtes Isotop von Thorium das Potenzial hat, die Grundlage für die erste Kernuhr zu sein. Der Thoriumkern könnte eine neue Methode zur Zeitmessung bieten, die die Präzision bestehender Atomuhren übertrifft. Die neue Forschung von Sandro Kraemer von der KU Leuven in Belgien und seinem Team hat die Energie, die beim Zerfall des Thoriumkerns freigesetzt wird, genau gemessen und damit die Möglichkeit eröffnet, eine nukleare Uhr zu konstruieren.

Aktuelle Atomuhren basieren auf den Lichtschwingungen, die von den ein Atom umgebenden Elektronen ausgelöst werden. Atomuhren sind bereits sehr präzise und werden in GPS-Satelliten und Experimenten zur Überprüfung der Grundgesetze der Physik eingesetzt. Eine Kernuhr würde jedoch auf Energiesprüngen des Atomkerns basieren, von denen einige Wissenschaftler glauben, dass sie sogar noch genauer sein könnten als Atomuhren.

Die Energieniveaus der meisten Atomkerne sind zu weit voneinander entfernt, als dass Wissenschaftler den Sprung mit einem Laser auslösen könnten, der für den Bau einer Uhr notwendig ist. Allerdings liegen die Energieniveaus von Thorium-229, einem Isotop des Elements, ungewöhnlich nahe beieinander. Den Forschern war es nicht möglich, den Energiesprung mit einem Laser auszulösen, da die Energielücke zwischen den Ebenen nicht genau bekannt war.

Kraemer und seine Kollegen haben die Energie gemessen, die beim Zerfall von Thorium-229-Kernen freigesetzt wird und deren Energie von ihrem höheren Energiezustand abfällt. Die Wissenschaftler mussten das Thorium-229 in diesen energiereichen Zustand, ein Isomer, bringen. Das Team nutzte einen radioaktiven Strahl in der ISOLDE-Anlage des CERN und bettete Actinium-229 in Calciumfluorid- und Magnesiumfluoridkristalle ein. Das Actinium-229 zerfiel und erzeugte das Thorium-229-Isomer. Durch die Einbettung des Thorium-229 in Kristalle wurde der schwer messbare Zerfall unterdrückt, wodurch der Einzelphotonenzerfall deutlicher sichtbar wurde.

Laut Quantenphysiker Simon Stellmer von der Universität Bonn stellt diese neue Forschung einen Meilenstein bei der Entwicklung der ersten Kernuhr dar. Physiker arbeiten nun daran, mithilfe eines Lasers den nächsten Schritt in diese Richtung zu gehen.

Eine Kernuhr könnte neue Perspektiven auf physikalische Phänomene eröffnen und subtile Variationen grundlegender Naturkonstanten aufdecken. Darüber hinaus könnte eine Kernuhr stabiler sein und Messungen schneller durchführen als Atomuhren. Laut Kraemer könnten Atomuhren im Gegensatz zu Atomuhren, bei denen Atome in einer Vakuumkammer schweben müssen, mit Kernen in einem festen Material hergestellt werden.