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Oct 02, 2023

Deutsche Forscher bringen uns der Herstellung von Atomuhren einen Schritt näher

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Eine Zusammenarbeit von Forschern verschiedener Institute in Deutschland hat uns dem Bau der ersten Atomuhr überhaupt einen Schritt näher gebracht. In Experimenten, die an der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) durchgeführt wurden, messen die Forscher den Strahlungszerfall des Kernisomers Thorium-229. Dies ist das erste Mal, dass ihnen diese Leistung gelungen ist und eine entscheidende Komponente für den Bau von Kernuhren.

Seit Jahren sind Atomuhren unser Maßstab für Genauigkeit, wenn es um Uhren geht. Die besten optischen Atomuhren haben eine Ganggenauigkeit von 10-18, was einer Ungenauigkeit von einer Sekunde alle 30 Milliarden Jahre entspricht.

Es wird erwartet, dass eine nukleare optische Uhr mindestens zehnmal präziser ist. Obwohl es erstmals vor mehr als zwei Jahrzehnten vorgeschlagen wurde, konnten Forscher in den letzten Jahren nach einigen wichtigen Erkenntnissen nur einige Fortschritte in dieser Richtung erzielen.

Laut einer Pressemitteilung der Johannes Gutenberg-Universität Mainz war die Entdeckung, die in wissenschaftlichen Kreisen für großes Aufsehen sorgte, der direkte Nachweis des Thorium-229-Isomers. Ein Isomer ist ein Atom, dessen Kern sich in einem höheren Energiezustand befindet. Dies kann durch Licht einer bestimmten Frequenz erreicht werden.

Bei Atomuhren nutzen Forscher die Lichtfrequenz, mit der Übergänge im Atom hervorgerufen werden, als Zeitmaß. Bei Kernuhren hingegen wird ausschließlich die Frequenz des Lichts genutzt, die zur Anregung des Atomkerns dient. Da der Atomkern kompakter aufgebaut ist und kleine elektromagnetische Momente aufweist, ist er weniger anfällig für äußere Störungen.

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Wenn das Isomer in seinen Grundzustand zurückkehrt, emittiert es ein Photon, einen Prozess, den Wissenschaftler Strahlungszerfall nennen und der für die Messung von entscheidender Bedeutung ist. Bisher war es den Forschern jedoch nicht gelungen, den Zerfall genau zu messen. Diese Hürde konnte kürzlich durch eine gemeinsame Anstrengung von Forschern verschiedener deutscher Forschungsorganisationen überwunden werden.

Die Experimente wurden in der ISOLDE-Anlage am CERN durchgeführt, wo Actinium-229-Atome in Calciumfluorid- oder Magnesiumfluoridkristalle implantiert wurden und dort in Thorium-229 zerfallen. Das Forschungsteam maß Photonen mit einer ultravioletten Wellenlänge von 148 nm und einer Übergangsenergie von 8,338 Elektronenvolt.

Dies sei die genaueste Messung der Energie des Isomers und die Genauigkeit habe sich im Vergleich zu früheren Ergebnissen um den Faktor sieben verbessert, behaupten die Forscher. Es muss noch viel mehr Arbeit geleistet werden, bevor eine Atomuhr gebaut werden kann, aber die Forschung zeigt, dass Thorium-229 unsere beste Wahl für den Bau einer solchen ist.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Studienzusammenfassung:

Das Radionuklid Thorium-229 weist ein Isomer mit einer außergewöhnlich niedrigen Anregungsenergie auf, das eine direkte Lasermanipulation von Kernzuständen ermöglicht. Es ist einer der besten Kandidaten für den Einsatz in optischen Uhren der nächsten Generation. Diese Kernuhr wird ein einzigartiges Werkzeug für präzise Tests der Grundlagenphysik sein. Während indirekte experimentelle Beweise für die Existenz eines solchen außergewöhnlichen Kernzustands wesentlich älter sind, wurde der Existenzbeweis erst kürzlich durch die Beobachtung des Elektronenumwandlungszerfalls des Isomers erbracht. Die Anregungsenergie des Isomers, der Kernspin und die elektromagnetischen Momente, die Lebensdauer der Elektronenumwandlung und eine verfeinerte Energie des Isomers wurden gemessen. Trotz der jüngsten Fortschritte blieb der Strahlungszerfall des Isomers, ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung einer Kernuhr, unbeobachtet. Hier berichten wir über den Nachweis des Strahlungszerfalls dieses niederenergetischen Isomers in Thorium-229 (229mTh). Durch die Durchführung der Vakuum-Ultraviolett-Spektroskopie von 229mTh, das in CaF2- und MgF2-Kristallen mit großer Bandlücke in der ISOLDE-Anlage am CERN eingebaut ist, werden Photonen von 8,338(24) eV gemessen, was mit jüngsten Messungen übereinstimmt und die Unsicherheit um den Faktor sieben verringert. Die Halbwertszeit von 229mTh, eingebettet in MgF2, beträgt 670(102) s. Die Beobachtung des Strahlungszerfalls in einem Kristall mit großer Bandlücke hat wichtige Konsequenzen für den Entwurf einer zukünftigen Kernuhr und die verbesserte Unsicherheit der Energie erleichtert die Suche nach einer direkten Laseranregung des Atomkerns.