Bei der Präzision liegt die neue Wiener Atomkernuhr derzeit um den Faktor 10.000 hinter den genauesten optischen Uhren zurück. Trotzdem gilt sie als möglicher Nachfolger heutiger Präzisionsuhren, weil sie mit deutlich geringerem technischen Aufwand auskommen könnte. Entwickelt wurde sie von einem Team um den Physiker Thorsten Schumm an der TU Wien.
Woher die Zahl stammt
Die Atomkernuhr lief in einem ersten Testdurchgang 24 Stunden lang präzise. Sie nutzt Atomkerne des Elements Thorium-229, die in einen Kristall eingebettet sind. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. In einem direkten 24-Stunden-Vergleich mit einer Ytterbium-Ionenuhr zeigte die Wiener Kernuhr einen Fehler von etwa einer Sekunde in 30 Millionen Jahren.
Wie sich die Atomkernuhr mit anderen Uhren vergleicht
Zum Vergleich: Die derzeit präziseste herkömmliche Atomuhr weicht nur um etwa eine Sekunde in 55 Milliarden Jahren ab. Klassische Atomuhren arbeiten mit Cäsium-133-Atomen und sind seit 1967 internationaler Standard. Eine solche Uhr würde, liefe sie seit Beginn des Universums, heute um etwa drei Stunden falsch gehen – optische Uhren dagegen nur um rund eine Sekunde.
Am Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen betreibt die TU Wien bereits seit einem Jahr eine optische Uhr, verbunden über eine Glasfaserleitung entlang der U-Bahn-Linie U2. Störsignale des U-Bahn-Betriebs mussten für die Messungen herausgerechnet werden.
Warum die Entwicklung so lange gedauert hat
Die Suche nach der passenden Laserfrequenz zur Anregung der Thorium-229-Kerne begann laut Schumm bereits 2009. Ein Experiment am CERN in Genf half dabei, den relevanten Frequenzbereich einzugrenzen.
Der erste erfolgreiche Nachweis der Kernuhr gelang Ende 2023, eine gezielte Anregung der Kerne mit Laserlicht wurde 2024 demonstriert. Ein Laser wird dabei auf eine exakt definierte Frequenz eingestellt, um die Energiezustände der Atomkerne gezielt zu verändern.
Nach der Grundlagenarbeit von 2024 starteten auch in den USA und China größere Forschungsprogramme zu Kernuhren. In derselben Fachveröffentlichung wird eine Kernuhr eines chinesischen Teams beschrieben; Schumm zufolge war das Wiener Team dabei leicht früher dran.
Was Fachleute von der Technik erwarten
Schumm erwartet, dass Atomkernuhren optische Uhren in der Präzision spätestens in fünf bis zehn Jahren übertreffen werden. Geplant ist zudem eine deutliche Verkleinerung der Technik – von heutigen Laboraufbauten auf die Größe eines Schuhkartons oder sogar einer Streichholzschachtel, langfristig möglicherweise auf einen kleinen Chip.
Ein mögliches Einsatzfeld ist die Satellitennavigation: Heutige GPS-Systeme erreichen nur eine Genauigkeit von ein bis zehn Metern. Für autonome Fahrzeuge und Blindenleitsysteme reicht das laut Schumm nicht aus, hier wird eine Genauigkeit im Millimeterbereich benötigt.
Mit der Kernuhr lassen sich zudem Quantensysteme kontrollieren, die mit herkömmlichen Atomuhren nicht auf diese Weise nutzbar sind. In der aktuellen Studie suchte das Team zusätzlich nach Hinweisen auf Dunkle Materie, wurde im untersuchten Frequenzbereich aber nicht fündig.
