Physiker machen einen großen, beispiellosen Schritt auf dem Weg zur Entwicklung einer ultrapräzisen „nuklearen“ Uhr

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Eine nukleare Uhr wäre präziser und stabiler als eine optische Uhr (wie die auf dem Foto). Bildnachweis: Andrew Brookes, National Physical Laboratory/Science Photo Library.

Tiago Robles Meteorisiertes Brasilien 12.05.2024 16:00 6 Min

Atomuhren Sie messen die Zeit mit einer solchen Präzision, dass es 30 Milliarden Jahre dauert, um eine Sekunde vorwärts oder rückwärts zu gehen. Sie waren entscheidend in der Entwicklung von GPS-Systemen und anderen Technologien.

Doch es ist an der Zeit, dass die Messtechnik den Weg dafür ebnet noch präzisere Uhren. Das ist wo komm in das Spiel „Atomuhren“.. Bei Atomuhren ist es ein Atom, das als Oszillator fungiert, während bei Atomuhren nur der Kern eines Atoms verwendet wird, weshalb sie diesen Namen („nuklear“) erhalten.

Eine „Atomuhr“ kann die Zeit viel genauer messen als die besten derzeit verfügbaren Atomuhren und ist zudem weniger empfindlich gegenüber Störungen.

Jetzt, Wissenschaftlern ist ein großer Schritt auf dem Weg zu einer hochpräzisen Kernuhr gelungen. Nach jahrzehntelangen Versuchen Es gelang ihnen, das einzige Atom zu manipulieren, das Atomuhren mit Licht (Laser) schlagen kann.. Die Ergebnisse des Experiments wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Die Eigenschaften von Atom- und Kernuhren

Um eine Uhr zu bauen, braucht man zwei Dinge: etwas, das periodisch schwingt und etwas, das die Schwingungen zählt.

In der Atomuhr (oder optischen Uhr) fungiert ein Atom als Oszillator. Die Elektronen des Atoms werden angeregt und springen von einem Grundzustand in einen angeregten (energetischeren) Zustand. Wenn die Energie abgeschaltet wird, kehrt es in seinen Ausgangszustand zurück und setzt ein Photon frei, das der gewonnenen Energie entspricht. Anschließend wird die Frequenz der vom Atom emittierten Photonen gezählt, wenn die angeregten Elektronen in ihren Grundzustand zurückkehren.

Laserstrahl, der auf die Kerne von Thorium-229-Atomen trifft
Illustration des Experiments, die zeigt, wie ein Laserstrahl auf die Kerne von Thorium-229-Atomen trifft, die in einem Kristall eingebettet sind. Bildnachweis: TU Wien.

Bei der Kernuhr ist das Prinzip ähnlich. Der Unterschied besteht darin, dass statt des gesamten Atoms die im Atomkern vorhandene Energie genutzt wird. Der Trick besteht darin, den Atomkern mithilfe eines Lasers mit Energie zu versorgen und dann die Strahlung zu messen, die der Atomkern aussendet, wenn er in seinen Grundzustand zurückkehrt. Die Schwierigkeit bestand bis dahin darin, dass von allen der Wissenschaft bekannten Atomkernen nur einer für diesen Zweck geeignet war: der Kern des Elements Thorium-229 und Bisher war es niemandem gelungen, den Atomkern von Thorium-229 mit einem Laser mit Energie zu versorgen.

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Normalerweise können Atomkerne nicht mit Lasern manipuliert werden. „Die Energie der Photonen reicht einfach nicht aus“, erklärt der Physiker Thorsten Schumm, Mitautor der Studie.

Ein weiterer Schritt zur Schaffung der „nuklearen“ Uhr

Jedoch, konnten die Forscherzum ersten Mal, Erregung eines Atomkerns des radioaktiven Metalls Thorium-229 mithilfe eines ultravioletten Lasers, wodurch dieser zwischen den Energiezuständen wechselt. Und die Frequenz des vom Kern absorbierten und emittierten Lichts funktioniert wie das Ticken einer Uhr. Dies wurde dank einer Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität Wien in Österreich und dem Deutschen Nationalen Metrologieinstitut in Braunschweig erreicht.

Um diesen Übergang von einem Quantenzustand in einen anderen zu beobachten, platzierten Wissenschaftler radioaktive Thorium-229-Atome in kleinen Kristallen aus Calciumfluorid. Durch Scannen der erwarteten Region mit a Mit einem speziell entwickelten Laser fanden sie schließlich die richtige Frequenz: etwa 2 Petahertz (1015 Schwingungen pro Sekunde), was sie durch die Identifizierung der Photonen entdeckten, die emittiert wurden, als die Kerne in ihren niedrigsten Energiezustand zurückkehrten. Das Team fand die Frequenz mit a Auflösung 800-mal besser als bisher von anderen Forschern.

Illustration der Laseranregung eines Thorium-229-Kerns
Illustration der Laseranregung eines Thorium-229-Kerns mit Neutronen und Protonen in Blau und Rot, die seinen Übergang in einen isomeren angeregten Zustand (229mTh) mit sehr niedriger Energie (8,35574 eV) bewirkt. Wenn der Kern in seinen Grundzustand zurückkehrt, emittiert er Photonen mit einer Wellenlänge von 148,3821 nm. Dieser nukleare Übergang könnte als Taktfrequenz verwendet werden, die die Grundlage für ein äußerst präzises Zeitmessgerät bildet. Bildnachweis: P. Thirolf/LMU; angepasst von APS/A. Steinbrecher.

Um daraus eine echte Uhr zu machen, muss die Auflösung des Lasers reduziert werden, damit es den Atomkern mit der entsprechenden Frequenz anregt, damit es zuverlässig gelesen werden kann; und das glaubt man Dies wird in naher Zukunft möglich sein. Den Forschern zufolge ist a Eine auf Thorium-229 basierende Kernuhr könnte etwa zehnmal genauer sein als die besten optischen (Atom-)Uhren. Die Unterbringung der Kerne in massivem Kristall könnte auch dazu beitragen, die Uhr kompakter und tragbarer zu machen als optische Systeme.

Nachrichtenreferenz:

Tiedau, J. et al. Laseranregung des Th-229-Kerns. Briefe zur körperlichen Untersuchung, v. 132, 2024.

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