Jeder Zeitmesser besteht aus einem Oszillator und einem System zum Zählen dieser Schwingungen. Die Anzeige erfolgt auf der Basis dieses Zählvorgangs. Die Ganggenauigkeit einer Uhr hängt darum in kritischer Weise von der Stabilität der Oszillatorfrequenz ab; diese kann mit immer höher werdender Frequenz stetig verbessert werden.
Die Gangabweichung unserer Zeitmesser schrumpfte im Lauf des 20. und zu Beginn des 21. Jahrhunderts auf spektakuläre Weise. Ein COSC-zertifizerter, mechanischer Chronometer darf pro Tag (das heisst innerhalb von 86’400 Sekunden – grob approximiert 100’000 oder 105 Sekunden) eine Abweichung von 1 Sekunde in 10’000 Sekunden (1:104) aufweisen. Mit grossem Aufwand „hochgezüchtete“, mechanische Chronometer erreichen 1:105 (eine Sekunde pro Tag)‚ was etwa dem Gang eines chinesischen Armbanduhren-Quarzwerks entspricht, das ein wenig mehr als 50 Rappen kostet. Durch elektronische Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Quarzoszillators erreicht man 1:106. Bei sorgfältig thermostatierten Quarz-Grossuhren ist 1:109 machbar, was einer Sekunde in knapp 30 Jahren entspricht.
Bei der Atomuhr wird ein sogenannter Hyperfeinübergang des Cäsiumatoms als Oszillator genutzt. Er liegt im Mikrowellenbereich bei einer Wellenlänge von 33 Millimetern und ist der magnetischen Wechselwirkung der Elektronen des Cäsiumatoms und seines Kerns zuzuschreiben. Bei kommerziellen Cäsiumuhren beträgt die Abweichung 1 Sekunde pro Million Jahre oder gut 1:1013, bei den Cäsiumuhren des Springbrunnentyps für Zeitzeichensender kommt man auf 1:1015 oder 1 Sekunde in 30 Millionen Jahren.
Von der optischen Atomuhr zur Atomkernuhr
Den nächsten „Quantensprung“ bei der Zeitmessung brachte die optische Atomuhr, bei der die Taktfrequenz im lichtoptischen Bereich liegt. Mit dem sogenannten Frequenzkamm können solche Frequenzen mit dem millionenfach längerwelligeren Mikrowellenbereich gekoppelt werden. Man erreicht eine Abweichung von 1 Sekunde pro Milliarde Milliarden Sekunden (1:1018) oder rund 25 Milliarden Jahre.
Mit der Atomkernuhr, die auf noch kurzwelligerer, harter Ultraviolettstrahlung basiert, bestehen gute Aussichten auf über 1:1019 zu kommen. Dieser völlig neuartige Zeitmesser basiert nicht mehr auf der Anregung von Elektronen sondern auf der Anregung von Atomkernen. Nun benötigt eine solche Anregung mindestens ein Energieniveau von 10 kilo-Elektronenvolt, im Extremfall bis zu mehreren mega-Elektronenvolt. Eine einzigartige Ausnahme ist das radioaktive Isotop Thorium-229, das beim Alphazerfall von Uran-233 entsteht und eine Halbwertszeit von 7917 Jahren aufweist. Die Anregung dieses Kerns verläuft in zwei Stufen: eine niederenergetische von einigen Elektronenvolt im Ultraviolettbereich und eine darauf folgende, hochenergetische Stufe im kilo-Elektronenvoltbereich der Gammastrahlen.
Zweistufige Anregung des Thoriumkerns
Benedict Seiferle und Mitarbeiter [1] an der Ludwig-Maximilian Universität in München, weiterer deutscher Forschungsinstitute und der Technischen Universität Wien (TU Wien), gelang nun eine sehr genaue Messung der Energie, die für den Übergang vom Grundzustand zum isomerisch genannten, ersten angeregten Zustand des Thorium-229 Atomkerns erforderlich ist: Sie beträgt 8,28 ± 0,17 Elektronenvolt. Die zugehörige Wellenlänge beträgt 147,7 Nanometer und liegt somit im Bereich der harten Ultraviolettstrahlung. Die benötigten Thorium-229 Atome wurden durch den Alphazerfall des Uranisotops 233U erhalten. Ein Teil dieses Thoriums befand sich auf der ersten, niederenergetischen Anregungsstufe, die isomerisch genannt und als 229mTh bezeichnet wird.
Die Messung des Energieniveaus von 229mTh erfolgte indirekt anhand des Energiespektrums der Elektronen, die bei der Rückkehr des Kerns vom isomerischen Zustand in den Grundzustand emittiert wurden. Dieser Prozess wird als innere Konversion bezeichnet; die dabei frei werdende Energie geht auf ein Hüllenelektron über, das unter Ionisierung zu Th+ vom Atom ausgestossen wird. Sie entspricht der vom Kern übertragenen Energie minus die Bindungsenergie des Elektrons in der betroffenen Schale.
Alternativer Zugang
Eine Atomkernuhr könnte durch direkte Anregung des 229Th-Atomkerns auf die erste, energetisch sehr niedrige Stufe mit der Strahlung eines Ultraviolettlasers der erwähnten Wellenlänge von 149,7 Nanometern verwirklicht werden. Daran wird zurzeit fieberhaft gearbeitet. Einen alternativen Zugang zur niederenergetischen Anregungsstufe erkundeten nun Takahito Masuda und Mitarbeiter [2] an der Okayama University, weiteren Hochschulen in Japan sowie der TU Wien. Dazu regten sie den Thorium-229-Atomkern mittels Synchrotron-Röntgenstrahlung auf die höhere Stufe an, wobei sie deren Energieniveau genau messen konnten. Es liegt bei 29,19 kilo-Elektronenvolt. Masuda und Mitarbeiter beobachteten dann die Rückkehr zum Grundzustand, die nur zu einem kleinen Teil direkt erfolgte. Vielmehr gab es meistens einen kurzen Halt auf der niederenergetischen Zwischenstufe von 8,28 Elektronenvolt. Von dort aus wurde der Grundzustand mit einer Halbwertszeit von 82,2 Picosekunden erreicht. Mit diesem „Top-down“-Verfahren ist es relativ einfach, den isomerischen Zustand zu erreichen.
Die Arbeiten der Teams um Seiferle und Masuda dürften in absehbarer Zukunft zu einer Atomkernuhr führen, die auf äussere Einwirkungen völlig unempfindlich und extrem robust ist. Für diverse Disziplinen der Physik, die Überprüfung von physikalischen Konstanten, die Geodäsie, die Positionsbestimmung, die Erforschung der Dunkelmaterie, die Bestimmung der Expansionsgeschwindigkeit des Universums und die Beobachtung tektonischer Prozesse wäre die von der Atomkernuhr erwartete, weitere Grössenordnung bei der Präzision der Zeitmessung höchst willkommen.
Quellen: [1] B. Seiferle et al., Nature 573, 243 (2019). – [2] T. Masuda et al., Nature 573, 238 (2019)
