Zeitmessung mit Atomuhren: PTB-Forscher auf dem Weg zu ultragenauen Kernuhren
Wissenschaftliche und technische Anwendungen verlangen nach immer präziserer Zeitmessung. Die exaktesten Werte dürften sich anhand der Resonanzfrequenz von Atomkernen ermitteln lassen – und hier geht es voran.
(Bild: "Atomuhr CS2 der PTB" / Jörg Behrens / cc-by-sa-3.0)
- Sascha Mattke
Heutige Cäsium-Atomuhren gehen in vielen Millionen Jahren nur noch weniger als eine Sekunde nach oder vor, doch selbst das ist Wissenschaftlern noch nicht genau genug. Seit einigen Jahren wird deshalb an Möglichkeiten geforscht, statt bei Elektronen in der Hülle von Atomen direkt am Atomkern anzusetzen, wo Protonen und Neutronen fest gebunden und deshalb weniger empfindlich für äußere Einflüsse sind. Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig sind derartigen Kernuhren jetzt ein gutes Stück nähergekommen, berichtet Technology Review online in „Atomuhren gehen an den Kern“.
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Um Uhren genau zu machen, kommt es entscheidend auf den richtigen Taktgeber an. Das konnte in früheren Zeiten ein Pendel sein oder eine Unruh mit Spiralfeder. Heutige Armbanduhren wiederum enthalten einen Quarzoszillator, also eine Schaltung, die mit Hilfe der festen Resonanzfrequenz eines Quarzkristalls ein elektrisches Signal mit bekannter Frequenz ausgibt. Hochpräzise moderne Quarzuhren kommen so pro Jahr auf eine Abweichung von etwa 25 Sekunden gegenüber der perfekten Zeitmessung.
Ab den 1940er Jahren wurden Atomuhren entwickelt. Sie machen sich die Tatsache zunutze, dass Atome beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz absorbieren und wieder abgeben können. Noch genauere Uhren wären möglich, wenn statt der Resonanzfrequenz der Hülle von Atomen die von deren Kernen genutzt werden könnte.
Der aussichtsreichste Kandidat ist hier das Thorium-Isotop 229, dessen Kern sich mit wenig Energie in einen recht stabilen Anregungszustand bringen lässt. Die exakte Frequenz dafür ist weiterhin unbekannt. Allerdings konnten die Braunschweiger Forscher zusammen mit Kollegen aus München, Mainz und Darmstadt erstmals grundlegende Eigenschaften wie Größe und Form der Ladungsverteilung des Kerns von Thorium-229 im angeregten Zustand und die Übergangsfrequenzen in der Hülle messen. Daraus lassen sich Informationen über Eigenschaften des Kerns ableiten.
Mehr dazu bei Technology Review online:
(sma)
