Chinas experimentelle Kernuhr übertrifft Stabilität der weltweit ersten beiden Geräte um das Sechsfache

Dieses Ergebnis markiert einen weiteren Fortschritt in einer neuen Kategorie der Präzisionszeitmessung. Kernuhren könnten Physikern zudem eine neue Möglichkeit bieten, die grundlegenden Gesetze der Natur zu testen. Das Tsinghua-Team stellte fest, dass separat hergestellte Kristalle nahezu identische Uhrensignale erzeugten. Ihre Messergebnisse stimmten auf etwa drei Teile pro zehn Billionen überein. Die Entdeckung deutet darauf hin, dass das Signal nicht von einem bestimmten speziellen Kristall abhängt. Das Ergebnis stimmt auch mit früheren Messungen von Forschern des JILA in Colorado überein. Ding Shiqian, der die Tsinghua-Forschung leitet, erklärte, dass das Ergebnis die Argumente für eine reproduzierbare Kernuhr stärke. Forscher könnten die Technologie letztlich in einen praktischen Zeitstandard umwandeln.

Stabilität und Signaleigenschaften der Kernuhr

Dennoch erreicht diese Uhr noch nicht die Stabilität, die die besten Atomuhren erzielen. Atomuhren definieren seit 70 Jahren den präzisen Zeitstandard. Während Atomuhren Veränderungen der Energiezustände von Elektronen verfolgen, überwachen Kernuhren Übergänge im Inneren des Atomkerns. Dieser Unterschied könnte sich als besonders bedeutsam erweisen, da Elektronen einen weit größeren Bereich einnehmen als der Atomkern, der wesentlich kleiner und kompakter ist. Thorium-229 bietet für die kernbasierte Zeitmessung einen seltenen Vorteil. Sein Kern kann auf ultraviolettes Licht reagieren, und seine Energie lässt sich mit aktuellen Lasern erreichen. Die meisten Kerne benötigen höhere Energien für ähnliche Übergänge. Wissenschaftlern gelang 2024 erstmals die Laseranregung von Thorium-229. Das Tsinghua-System erzeugt Ultraviolettlicht, indem es Germaniumdampf auf 1,112 Grad Fahrenheit erhitzt. Die Forscher leiteten den Strahl auf einen kleinen thoriumdotierten Kristall, der kleiner als ein Reiskorn ist, aber etwa eine Billiarde Thoriumkerne enthält. Das Wiener Kernuhr-Gerät hingegen verwendete einen Kristall, der etwa das 200-fache an Thoriumkernen enthielt. Die Forscher verglichen sein Signal über eine 6 Meilen lange Glasfaser mit einer Atomuhr. Die Wiener Forscher stellten fest, dass das Signal der Uhr je nach Position des Lasers im Kristall leicht variierte. Diese Schwankung führte dazu, dass das Gerät jeden Tag eine leicht andere Zeit hielt. Eine Verbesserung des Kristalls könnte Forschern helfen, dieses Problem zu verringern.

Potenzielle Anwendungen und Herausforderungen der Kernuhr

Kernuhren können physikalische Phänomene detektieren, da die geringere Größe des Atomkerns Störungen durch externe elektrische und magnetische Felder verringern könnte. Geringere Störungen könnten letztlich helfen, dass Kernuhren extrem hohe Genauigkeit erreichen. Kernuhren könnten Forschern auch bei der Untersuchung von Dunkler Materie helfen. Physiker können Kernuhren und Atomuhren vergleichen, um winzige Veränderungen fundamentaler physikalischer Konstanten zu detektieren. Wiener Forscher haben ihre Uhr bereits in einer Suche nach Dunkler Materie eingesetzt, die keine Beweise für Dunkle Materie erbrachte. Forscher stehen weiterhin vor erheblichen Material- und Ingenieursherausforderungen. Thorium-229 ist äußerst knapp, was Experimente mit neuen Kristalldesigns begrenzt. Bessere Kristalle könnten Thorium gleichmäßiger verteilen und innere Defekte reduzieren. Leistungsstärkere Laser könnten ebenfalls die Uhrleistung verbessern. Derzeit verlassen sich von Atomuhren unterstützte Systeme auf äußerst präzise Zeitmessung, einschließlich Satellitennavigation. Kernuhren müssen ihre Leistung deutlich steigern, um diese etablierten Systeme herauszufordern. Forscher hoffen letztlich, Kernuhren über spezialisierte Labore hinaus zu bringen, wobei kompakte Designs extrem hohe Zeitpräzision für breitere Anwendungen nutzbar machen könnten. Die Studie wurde in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Zukünftige Entwicklung und Herausforderungen der Kernuhr-Technologie

Chinas Kernuhr-Technologie zeigt eine bemerkenswerte Stabilität, die nicht nur die Entwicklung der Präzisionszeitmessung vorantreibt, sondern auch die Forschungsmethoden der Physik verändern könnte. Da Kernuhren externe Störungen reduzieren können, haben sie künftig das Potenzial, in der Dunklen-Materie-Forschung und bei Tests fundamentaler physikalischer Konstanten eine wichtige Rolle zu spielen. Allerdings bleiben die Knappheit von Thorium-229 sowie Material- und Ingenieursherausforderungen die Haupthindernisse. Wenn diese überwunden werden können, könnten Kernuhren in breiteren Anwendungen herkömmliche Atomuhren ersetzen und neue technologische Durchbrüche bringen.