EINE AUF EINEN ATOMKERN GESTIMMTE UHR LIEF 30 STUNDEN

Die genauesten Uhren der Welt zählen die Schwingungen von Elektronen in Atomen, abgefragt mit Lasern. Sie dienen als Frequenzreferenzen für die Metrologie und für Tests der Grundlagenphysik. Thorium-229 bietet ein anderes Pendel: Sein Kern hat einen angeregten Zustand, Isomer genannt, nur etwa 8,4 Elektronenvolt über dem Grundzustand – niedrig genug, damit ein Laser ihn erreichen kann. Das benötigte Licht liegt im Vakuumultraviolett, bei 148,4 Nanometern.

Den Autoren zufolge wäre eine Uhr, die auf diesem Kernübergang beruht, besonders empfindlich für mögliche Veränderungen der fundamentalen Wechselwirkungen und könnte bei der Suche nach Dunkler Materie helfen. Bettet man Thorium in einen durchsichtigen Calciumfluoridkristall ein, erhält man eine enorme Zahl absorbierender Kerne in einem kleinen Festkörperstück: der Weg zu einer Festkörper-Kernuhr.

Nicht die erste, aber hier die am längsten laufende

Die Studie benennt sorgfältig, was bereits erreicht wurde. Ihre Literaturliste nennt Kernfluoreszenz, direkte Laseranregung, Frequenzkammspektroskopie, kontinuierliche UV-Laser, Absorptionsspektroskopie und sogar Kern-Regelschleifen, über die andere Teams berichtet haben. Neu an dieser Arbeit ist eine Uhr, die lange an einem bestimmten Kristall läuft, und eine sorgfältige Verknüpfung zwischen ihrem gemessenen Spektrum und der Frequenz, die die Uhr tatsächlich liefert.

Der Schlüssel ist die Absorption. Statt darauf zu warten, dass angeregte Kerne zerfallen – ein langsamer Vorgang –, misst das Team, wie viel Licht der Kristall schluckt. Das liefert ein schnelles Signal, das anzeigt, ob der Laser auf der Linie sitzt oder daneben.

Drei Verdopplungen bis zum Kern

Pengfei Wang, Xu-Fei Yin, Yu-Ao Chen und Kollegen von der University of Science and Technology of China gehen gemeinsam mit Partnern von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der TU Wien von einem Infrarotlaser bei 1.187 Nanometern aus, der auf einen ultrastabilen optischen Resonator stabilisiert ist. Drei aufeinanderfolgende Frequenzverdopplungen machen daraus 594, dann 297, dann 148,4 Nanometer. Etwa 750 Picowatt ultravioletten Lichts durchqueren dann ein 1,8 Millimeter dickes Stück thoriumdotierten Kristalls, das aus einem Kristall namens X2 geschnitten wurde. Andere Stücke von X2 wurden in Wien und am JILA vermessen.

Im Kristall spaltet das lokale elektrische Feld die Kernlinie in mehrere Komponenten auf. An einer Sorte von Thoriumplätzen löst das Team vier davon auf, dazu eine breitere Resonanz von einer zweiten Sorte von Plätzen. Die stärkste und schmalste Linie, b genannt, ist nur 83 Kilohertz breit – bei einer Frequenz von etwa zwei Billiarden Hertz.

Dreißig Stunden auf einer Linie

Um die Uhr zu betreiben, tastet das System beide Flanken der Linie b ab und justiert die Laserfrequenz etwa alle 10 Sekunden nach. Ein Frequenzkamm, referenziert auf einen Wasserstoffmaser, der gegen eine Strontium-Atomuhr kalibriert ist, misst das Ausgangssignal.

• Die Regelschleife hielt 30 Stunden – 1.061.000 Messzyklen, von denen nur 29 verworfen wurden.
• Das Team beendete den Lauf, während die Uhr noch eingerastet war: Die Photonenrate war von 5,79 auf 2,41 Millionen pro Sekunde gefallen, was die Autoren darauf zurückführen, dass Ausgasungen die UV-Transmission verschlechterten.
• Die gemessene Frequenz der Linie b: 2.020.407.298.796,17 Kilohertz, mit einer Unsicherheit von 0,13 Kilohertz.
• Ihre Stabilität verbessert sich mit der Mittelungszeit und erreicht 1,24 × 10⁻¹³ nach 10.000 Sekunden.
• Ein zweiter Lauf von 6,6 Stunden auf einer anderen Komponente, Linie c, gelang ebenfalls.

Die aus den Absorptionsspektren abgelesenen Linienpositionen und die von der Uhr gelieferten Frequenzen stimmen im Rahmen ihrer Unsicherheiten überein. Als das Team die Uhr drei weitere Male neu startete, nachdem es die Kammer geöffnet und die Optik neu justiert hatte, streuten die mittleren Frequenzen über 1,6 Kilohertz.

Derselbe Kristall, drei Labore

Beim Vergleich ihres Stücks mit Stücken desselben Kristalls, die in Wien und am JILA vermessen wurden, findet das Team nach Temperaturkorrektur dasselbe Linienmuster wieder. Einige Abweichungen bleiben: Linie b liegt 11,6 Kilohertz über dem Wiener Wert und 6,6 über dem des JILA; Linie c etwa 30 Kilohertz über beiden. Die Autoren können noch nicht sagen, ob diese von verbleibenden Temperaturfehlern, systematischen Fehlern beim Einrasten oder echten Unterschieden zwischen den Proben stammen.

Noch weit vom Ziel entfernt

Die Zahlen verdienen Kontext, und die Studie liefert ihn. Der Vergleich zwischen dem Wasserstoffmaser und der als Referenz genutzten Strontiumuhr ist selbst mehr als zehnmal stabiler als die Thoriumuhr über dieselben Mittelungszeiten. Die Unsicherheitsbudgets sind ausdrücklich unvollständig, und während der ersten 14,7 Stunden des langen Laufs wurde die Temperatur nicht aufgezeichnet. Der Wert dieser Arbeit liegt in Ausdauer und Gegenprüfung: ein Kernübergang, über mehr als einen Tag gehalten und mit Stücken desselben Kristalls in drei Laboren verglichen.