Wissenschaftler präsentieren erste ultra-präzise Kernuhren: Thorium-Technik übertrifft Atomuhren
Forscher in China und Europa haben erstmals funktionsfähige Kernuhren auf Thorium-Basis vorgestellt – ein Meilenstein für die Zeitmessung.
Wissenschaftler haben die ersten funktionsfähigen Kernuhren vorgestellt. Der Durchbruch markiert einen Meilenstein in den internationalen Bemühungen, die präzise Zeitmessung zu verbessern und abzusichern, die für die digitalen Systeme entscheidend ist, welche das moderne Leben stützen. Die Geräte basieren auf dem radioaktiven Element Thorium und haben in einem anspruchsvollen physikalischen Experiment die bestehende Atomuhr-Technologie übertroffen.
An der Entwicklung waren Forschergruppen in China und Europa beteiligt. Die Ergebnisse wurden in Artikeln veröffentlicht, die am Mittwoch in der Fachzeitschrift Nature erschienen. Die Wissenschaftler konzentrieren sich nun auf Verbesserungen, um die Technologie praktisch nutzbar zu machen.
Die Details
Die Kernuhren werden so genannt, weil sie winzige Energieverschiebungen in den Zuständen der Protonen und Neutronen ausnutzen, die die Kerne im Zentrum von Atomen bilden. Da diese Veränderungen viel kleiner sind als diejenigen für Elektronen, die von der lang etablierten Atomuhr-Technologie gemessen werden, können Kernuhren theoretisch präzisere Messungen durchführen. Die Thorium-Uhr sollte zudem weniger anfällig für Störungen durch externe elektromagnetische Quellen sein, da die Kerne widerstandsfähiger gegen diese sind als Elektronen.
In einem Test konnten die Thorium-Uhren unsichtbare „Dunkle Materie“ auf einem Niveau detektieren, das mit den besten Atomuhren vergleichbar ist. Die Uhren boten weitere mögliche praktische Vorteile, da sie „Festkörper“-Geräte sind, die auf Kristallen aus Calciumfluorid basieren, anstatt der Gase, die in Atomuhren verwendet werden.
Thorsten Schumm, Physiker an der Technischen Universität Wien (TU Wien), ordnet die Bedeutung der Entwicklung ein: „Die Kernuhr bietet das Potenzial der herausragenden Leistung modernster optischer Atomuhren, jedoch mit einem massiv reduzierten Energieverbrauch und einer einfacheren und robusteren Apparatur.“ Und weiter: „Es ist sicher, dass wir in den nächsten zwei oder drei Jahren sehr schnelle Fortschritte bei der Leistungsfähigkeit von Kernuhren erzielen werden.“
Shiqian Ding, Forscher an der Tsinghua-Universität in Peking, der die Arbeit der chinesischen Gruppe leitete, sieht ebenfalls großes Potenzial. Die Kernuhr verspreche, kompakter und einfacher zu bedienen zu sein als die derzeit beste existierende optische Atomuhr, die „außergewöhnlich präzise“ sei, aber immer noch „komplexe Laborsysteme“ darstelle. „Wenn das möglich wird, könnte es die Präzision auf dem Niveau optischer Uhren aus spezialisierten Laboren herausholen und eine solche Präzision viel breiter einsetzen lassen, einschließlich in der Navigation. . . Raum-basierte Messungen und präzise Synchronisation“, sagte Ding.
Was das für Anleger bedeutet
Die Entwicklung ist Teil einer breiteren Suche nach Möglichkeiten zur Sicherung der Zeitmessung. Denn Risiken sowohl unbeabsichtigter Ausfälle als auch Sabotage bedrohen elektronische Systeme, die für Kommunikation, Finanztransaktionen und den Betrieb von Kraftwerken unerlässlich sind. Robuste ultra-präzise Zeitmessungs- und Navigationsmethoden sind zu einer wachsenden nationalen Sicherheitspriorität für Länder weltweit geworden, da Kriegsmanipulationen und unerwartete Ausfälle Schwachstellen im bestehenden Global Positioning System (GPS) offengelegt haben.
Viele Präzisionsuhren, auf die grundlegende digitale Dienste angewiesen sind, befinden sich auf Satelliten. Diese sind anfällig für Interferenzen oder Schäden durch Quellen wie zunehmende Mengen an Weltraumschrott. Für Anleger ist dies ein Hinweis darauf, dass die Nachfrage nach robusten Zeitmess- und Navigationslösungen strategisch begründet ist – sie berührt Infrastruktur, Verteidigung und die Zuverlässigkeit digitaler Zahlungssysteme gleichermaßen.
Ein Hemmnis für den Aufstieg der Thorium-Uhren ist die Verfügbarkeit des Materials. Thorium-229 – die Form des Elements, die in den Uhren verwendet wird – ist extrem selten und zudem entscheidend für eine vielversprechende potenzielle Krebstherapie. Daher ist ihre Versorgung streng kontrolliert. Diese Knappheit dürfte die Skalierung der Technologie ebenso beeinflussen wie ihre technische Reife.
Hinzu kommt ein technischer Vorbehalt: Die Thorium-Uhren sind immer noch viel weniger stabil als existierende optische Atomuhren. Die Forscher zeigen sich jedoch zuversichtlich, signifikante technische Verbesserungen vornehmen zu können. Bis dahin bleibt die bestehende optische Atomuhr der Maßstab, an dem sich die neue Technologie messen lassen muss.
Ausblick
Die Forscher konzentrieren sich nach eigenen Angaben nun auf Verbesserungen, um die Kernuhren praktisch nutzbar zu machen. Schumm erwartet, dass in den nächsten zwei oder drei Jahren sehr schnelle Fortschritte bei der Leistungsfähigkeit von Kernuhren erzielt werden. Gelingt dies, könnte die Präzision optischer Uhren aus spezialisierten Laboren deutlich breiter eingesetzt werden – etwa in der Navigation, bei raum-basierten Messungen und der präzisen Synchronisation.
Parallel werden andere neue Uhrtechnologien entwickelt und verbessert. Dazu zählen Geräte, die auf dem Seltenerd-Element Ytterbium basieren. Eine weitere Klasse potenzieller Uhren der nächsten Generation ist die sogenannte Molekül-Uhr, die die Rotations- und Vibrationsbewegungen einzelner Moleküle ausnutzt. Der Wettlauf um die präziseste Zeitmessung ist damit keineswegs entschieden.
Kurz erklärt
- Kernuhr: Uhr, die winzige Energieverschiebungen in Atomkernen zur Zeitmessung nutzt.
- Optische Atomuhr: Hochpräzise Uhr, die Übergänge in den Elektronen von Atomen misst.
- GPS: Globales Satellitensystem zur Positionsbestimmung und Navigation.
- Dunkle Materie: Unsichtbare Materieform, die sich nur indirekt nachweisen lässt.