Seit Jahrzehnten gelten Atomuhren als Inbegriff der Genauigkeit. Nun ist der nächste Schritt geschafft: Zwei Forschungsteams, eines an der TU Wien, eines an der Tsinghua-Universität in Peking, haben unabhängig voneinander die ersten funktionierenden Kernuhren gebaut. Beide Arbeiten erschienen am 7. Oktober im Fachjournal Nature.
Der Unterschied zur klassischen Atomuhr liegt in der Ebene, auf der getaktet wird. Herkömmliche Uhren nutzen Sprünge von Elektronen in der Atomhülle. Eine Kernuhr dagegen greift auf einen Übergang im Inneren des Atomkerns zurück, der durch die umgebende Elektronenwolke gut gegen Störungen von außen abgeschirmt ist. Das verspricht langfristig noch stabilere Zeitsignale.
Möglich macht das ein einziges Isotop: Thorium-229. Bei ihm liegt die nötige Anregungsenergie ausnahmsweise so niedrig, dass ein Laser im Vakuum-Ultraviolett bei rund 148 Nanometern genügt. Beide Gruppen betten die Thoriumkerne in winzige Kristalle aus Calciumfluorid ein, die bei Zimmertemperatur auf einem Labortisch funktionieren. Die Idee stammt bereits aus dem Jahr 2003 von Forschern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, die auch am Wiener Projekt beteiligt war.
Die Pekinger Gruppe um Ding Shiqian entwickelte dafür eigens einen Dauerstrich-Laser im extremen UV-Bereich. Ihre Uhr ist rund sechsmal stabiler als die Wiener Variante, und zwei getrennt gezüchtete Kristalle lieferten nahezu identische Frequenzen. Bemerkenswert: Für einen der Kristalle reichten 1,4 Mikrogramm des extrem seltenen Thoriums.
Das Wiener Team um Thorsten Schumm nutzte sein Gerät sofort für die Grundlagenforschung und suchte nach Spuren sogenannter ultraleichter Dunkler Materie. Gefunden wurde nichts – doch die neuen Grenzwerte reichen in Bereiche, die Atomuhren prinzipiell nicht erfassen können. Bis Kernuhren im Alltag etwa Navigationssysteme verbessern, dürfte es allerdings noch dauern.
