Physiker haben erstmals eine Atomuhr gebaut
Wissenschaftler haben zum ersten Mal in der Geschichte eine funktionierende Kernuhr gebaut – ein Gerät, das die Zeit mithilfe eines Atomkerns misst. Dabei haben gleich zwei unabhängige Teams, ein chinesisches und ein österreichisches, dies praktisch zeitgleich erreicht. Was die Genauigkeit angeht, können solche Uhren sogar die besten Atomuhren übertreffen, über die die Menschheit heute verfügt.
Dies ist ein lang gehegter Traum der Physiker: Seit Jahrzehnten wurde über Kernuhren gesprochen, doch es gelang einfach nicht, sie zu bauen. Nun ist es gelungen – und zwar gleich in zwei Laboren auf unterschiedlichen Wegen.
Ein wichtiger Vorbehalt: Beide Arbeiten wurden bislang als Preprints veröffentlicht – also als wissenschaftliche Artikel, die noch keiner unabhängigen Überprüfung durch andere Wissenschaftler unterzogen wurden. Dies ist ein bedeutender Schritt, doch ist es noch zu früh, endgültige Schlussfolgerungen zu ziehen.
Details
Um zu verstehen, worin der Durchbruch besteht, muss man sich vor Augen führen, wie präzise Uhren überhaupt funktionieren. Jede Uhr zählt etwas: ein Pendel, Quarzschwingungen, den Sekundenzeiger. Je stabiler das ist, was wir zählen, desto genauer ist die Uhr.
Die genauesten Uhren sind heute Atomuhren. Sie zählen die Schwingungen von Elektronen, die zwischen den Energieniveaus im Atom „hin- und herspringen“. Diese Schwingungen sind unglaublich stabil, weshalb Atomuhren sich nur um eine Sekunde in Milliarden von Jahren irren.
Kernuhren sind ähnlich aufgebaut, zählen jedoch nicht die Elektronen, sondern die Veränderungen im Inneren des Atomkerns selbst – dort, wo sich Protonen und Neutronen befinden. Und darin liegt der entscheidende Vorteil: Der Kern ist tief im Inneren des Atoms verborgen und wesentlich besser vor äußeren Störungen – zufälligen elektrischen und magnetischen Feldern – geschützt. Das bedeutet, dass Uhren, die auf diesem Prinzip basieren, noch genauer und zuverlässiger sein können als Atomuhren.
Das Problem bestand darin, dass fast kein Atomkern dafür geeignet ist. Aus dem gesamten Periodensystem eignet sich nur ein einziges Element – Thorium-229. Der „Energiesprung“ seines Kerns erwies sich als genau so groß, dass er mit Hilfe eines Lasers angeregt und gemessen werden konnte. Doch auch hier gab es eine Schwierigkeit: Man benötigt einen speziellen Laser, der im sogenannten Vakuum-Ultraviolett arbeitet – eine Strahlung, die sehr schwer zu erzeugen und nur schwer zu steuern ist.
Beide Teams lösten das Problem auf die gleiche Weise: Sie „implantierten“ Thoriumkerne in Kalziumfluoridkristalle und richteten einen präzise abgestimmten Laser auf diese. Danach gingen die Ansätze auseinander. Die chinesische Gruppe von der Tsinghua-Universität verwendete einen leistungsstärkeren Laser. Die europäische Gruppe vom Wiener Zentrum für Quantenwissenschaft und -technologie wählte einen Kristall mit einer höheren Thoriumkonzentration.
Auch die Überprüfung der Ergebnisse erfolgte unterschiedlich. Die Chinesen zeigten, dass ihr Gerät die Laserfrequenz stabil „hält“, indem sie diese mit erstaunlicher Genauigkeit an den Kern koppelten – die Abweichung betrug etwa einen Teil von 10 Billionen pro Tag. Die Österreicher setzten ihre Uhr hingegen sofort für die Suche nach dunkler Materie ein – jener rätselhaften Substanz, aus der vermutlich der größte Teil der Masse des Universums besteht. Sie fanden zwar keine Anzeichen für Dunkle Materie, doch die Empfindlichkeit des Geräts erwies sich als mindestens ebenso gut, in manchen Bereichen sogar besser als die der besten Atomuhren.
Warum dies wichtig ist
Kernuhren sind nicht einfach nur „genauere Uhren“. Sie sind ein neues Instrument zur Erforschung der tiefsten Geheimnisse der Physik.
Mit ihrer Hilfe lässt sich beispielsweise überprüfen, ob die Fundamentalkonstanten – jene Grundgrößen, auf denen die Naturgesetze beruhen – tatsächlich konstant sind. Sollten sich diese Konstanten im Laufe der Zeit auch nur geringfügig ändern, können die hochpräzisen Uhren dies feststellen.
Und wenn es gelingt, die Technologie auf kompakte Abmessungen zu verkleinern, könnten Kernuhren in Navigationssystemen, in Geräten zur Messung der Schwerkraft und in Experimenten zum Einsatz kommen, die mit der heutigen Ausrüstung schlichtweg nicht durchführbar sind.
Dabei sei noch einmal betont: Dies ist erst der Anfang. Die Uhr funktioniert im Labor und hat erste Tests bestanden – doch vor uns liegen noch Begutachtung, Weiterentwicklung und Miniaturisierung.
Hintergrund
Die Zeitmessung ist einer der präzisesten Bereiche der Wissenschaft und hat direkten Einfluss auf das tägliche Leben. Von der Genauigkeit der Uhren hängt beispielsweise die Funktion von Satellitennavigationssystemen wie GPS ab: Ein Fehler von nur wenigen Nanosekunden führt zu Abweichungen von mehreren Metern auf der Erde.
Die Idee der Kernuhr gibt es schon lange, doch die technische Komplexität bei der Entwicklung eines Lasers des erforderlichen Typs stand der Umsetzung in ein funktionierendes Gerät bisher im Weg. Der Durchbruch wurde möglich, nachdem es Physikern in den letzten Jahren gelungen ist, mit dem Laser präzise auf den Kern von Thorium-229 zu „treffen“. Die aktuellen Arbeiten sind der nächste logische Schritt: vom bloßen „Beobachten“ des Kernübergangs hin zum Bau einer realen Uhr auf dieser Grundlage.
Besonders wichtig ist, dass das Ergebnis von gleich zwei Teams unabhängig voneinander und mit unterschiedlichen Methoden erzielt wurde. In der Wissenschaft gilt gerade die Reproduzierbarkeit – wenn andere Forscher zu demselben Ergebnis gelangen – als wichtigstes Zeichen für die Zuverlässigkeit.
Quelle
Die Arbeit basiert auf zwei unabhängigen Studien, die 2026 als Preprints auf arXiv veröffentlicht wurden.
Die erste stammt von dem Team um Luca Toscani De Cola vom Wiener Zentrum für Quantenwissenschaft und -technologie (Österreich): „A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop“, DOI: 10.48550/arxiv.2606.04997. Diese Gruppe verwendete einen Kristall mit hoher Thoriumkonzentration und setzte die Uhr zur Suche nach ultraleichter dunkler Materie ein.
Zweitens – das Team von Beichen Huang von der Tsinghua-Universität (China): „A nuclear clock based on 229Th“, DOI: 10.48550/arxiv.2606.08870. Diese Gruppe verwendete einen leistungsstärkeren Laser und demonstrierte einen stabilen Betrieb der Uhr mit einer Genauigkeit von etwa einem Teil pro 10 Billionen pro Tag.
In beiden Fällen wurden Thorium-229-Kerne in Kalziumfluoridkristalle eingebettet und mit einem Laser mit einer Wellenlänge von etwa 148 Nanometern untersucht.