BEIJING, 9. Oktober (Xinhua) -- Chinesische Wissenschaftler haben eine Atomkernuhr entwickelt und einen stabilen Betrieb erreicht. Damit verlagert sich die hochpräzise Zeitmessung von Elektronenübergängen innerhalb von Atomen auf Übergänge innerhalb von Atomkernen. Dies geht aus einem Forschungsartikel hervor, der in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde.
Festkörper-Atomkernuhren bieten potenzielle Vorteile hinsichtlich der Miniaturisierung und der technischen Umsetzung. Sie werden voraussichtlich die hohen Anforderungen an Zeit- und Frequenzgenauigkeit in Anwendungsbereichen wie der Satellitennavigation und der Erforschung des Weltraums erfüllen können.
Die Atomkernuhr nutzt Laser, um präzise Übergänge zwischen Energiezuständen im Atomkern von Thorium-229 anzuregen, einem speziellen radioaktiven Isotop. Die Frequenz dieser Kernübergänge dient dabei als Zeitreferenz. Die Forscher bauten das Gerät mithilfe eines selbst entwickelten Dauerstrichlasers im Vakuum-UV-Bereich mit einer Wellenlänge von 148 Nanometern sowie eines mit Thorium-229 dotierten Kalziumfluoridkristalls.
Die neue Uhr werde voraussichtlich einen Zeit- und Frequenzstandard der nächsten Generation setzen und stelle einen wichtigen Durchbruch auf dem Gebiet der quantenbasierten Präzisionsmessung dar, sagte Zhai Hui, Leiter des Fachbereichs Physik an der Tsinghua-Universität.
„Die erfolgreiche Entwicklung und der stabile Betrieb der Atomkernuhr bedeuten, dass sich die Möglichkeiten der Quantenmanipulation auf die Kernskala ausgeweitet haben“, so Zhai.
Atomuhren nutzen Übergänge zwischen bestimmten Energiezuständen von Elektronen innerhalb von Atomen als Frequenzreferenz und sind damit die bislang genauesten verfügbaren Zeitmessgeräte. Die Atomkernuhr hingegen nutzt Übergänge zwischen verschiedenen Energiezuständen des Atomkerns, um die Zeit zu messen.
Da die Größenordnung des Atomkerns weitaus kleiner ist als die des Atoms und Kernübergänge gegenüber einigen externen elektromagnetischen Störungen weniger empfindlich sein können, werden Atomkernuhren voraussichtlich einen präziseren und praktischeren Zeit- und Frequenzstandard bieten als Atomuhren.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Ding Shiqian, Associate Professor am Fachbereich Physik der Tsinghua-Universität, entwickelte den weltweit ersten Dauerstrichlaser im Vakuum-UV-Bereich mit einer Wellenlänge von 148 Nanometern und löste damit die zentrale Herausforderung bei der Lichtquelle, nämlich die präzise Ansteuerung von Energieniveauübergängen im Atomkern von Thorium-229.
In Zusammenarbeit mit Partnern entwickelten die Forscher zudem einen mit Thorium-229 dotierten Kalziumfluoridkristall, für den lediglich 1,4 Mikrogramm Thorium-229 benötigt wurden. Damit legten sie nach eigenen Angaben eine zentrale technologische Grundlage für die Entwicklung der Atomkernuhr.
„Wir haben ein vollständiges technologisches System etabliert, das die Schlüsselkomponenten Lichtquelle, Atomkernuhr-Kristall, das Spektrum der Kernübergänge und den Betrieb in einem geschlossenen Regelkreis umfasst“, sagte Ding.
