DAS LICHT, DAS EINE ATOMKERNUHR AM LAUFEN HÄLT

Optische Uhren liefern präzise Frequenzreferenzen für die Messwissenschaft und für Tests der Grundlagenphysik. Ein Thorium-229-Kern bietet etwas Ungewöhnlicheres: Sein Kern besitzt einen niedrig liegenden angeregten Zustand, etwa 8,4 Elektronenvolt über dem Grundzustand, den ein Laser erreichen kann. Eine Uhr auf Basis eines Kerns wäre besonders empfindlich für mögliche Veränderungen der Naturkonstanten. Und mit Thorium, das in einen durchsichtigen Kristall eingebettet ist, könnte daraus eine Festkörper-Atomkernuhr werden.

Der Haken ist die Farbe. Dieser Übergang braucht Licht von 148,4 Nanometern, im Vakuum-Ultraviolett. Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass solches Licht den Kern anregen und Atomkernuhren betreiben kann. Um eine schwache Absorption auszulesen, muss die Quelle jedoch stundenlang einen gleichmäßigen Photonenstrom liefern, und ihre Intensitätsdrifts müssen herausgefiltert werden.

Interessenkonflikt. Einige Autoren sind Angestellte oder Eigentümer von Shanghai Precilasers Technology, einer Laserfirma. Weitere Konflikte erklären die Autoren nicht.

Die Wellenlänge dreimal halbieren

Das Team von der University of Science and Technology of China, dem Hefei National Laboratory, Instituten der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Firma geht von einem kontinuierlichen Infrarotlaser bei 1.187 Nanometern aus. Drei aufeinanderfolgende Stufen der Frequenzverdopplung halbieren seine Wellenlänge: 594, dann 297, dann 148,4 Nanometer.

Der letzte Schritt findet in einem Kristall aus Strontiumtetraborat statt, einem im Vakuum-Ultraviolett durchsichtigen Material, das Licht in die doppelte Frequenz umwandeln kann. Der Kristall sitzt in einer verschlossenen Box, die geleert und mit Stickstoff von mehr als 99,9999 % Reinheit neu befüllt wird, da Sauerstoff dieses Licht verschluckt. Diese Eigenschaft dient zugleich als Test: Lässt man etwas Sauerstoff hinein, verschwindet das 148,4-Nanometer-Signal, und nur das Hintergrundrauschen bleibt.

Ein paar Nanowatt, sehr sauber

• Bei 920 Milliwatt eingestrahltem Licht von 297 Nanometern liefert die Quelle geschätzte 8,1 Nanowatt bei 148,4 Nanometern.
• Das Signal ist 38.000-mal stärker als der Hintergrund, der nach Zugabe von Sauerstoff bleibt.
• Diese Leistung ist etwa sechsmal so hoch wie die 1,3 Nanowatt, die ein früheres Team gemeldet hatte. Die Autoren betonen jedoch, dass sie mit viel mehr Pumpleistung erzielt wurde; pro Watt zum Quadrat sind beide Umwandlungen vergleichbar, ein effizienterer Kristall ist also nicht belegt.

Aus demselben Block geschnittene Kristalle verhielten sich nicht gleich. Einer arbeitete am besten bei etwa 30 °C, ein anderer bei etwa 45 und 48 °C, je nachdem, wo der Strahl auftraf. Jedes Stück braucht seine eigene Abstimmung.

Dreiunddreißig Stunden und ein Trick gegen die Drift

Die Quelle lief 33,3 Stunden, während das Team Messungen der Kernabsorption durchführte, die in einem Begleitartikel beschrieben sind. Ihre Leistung stieg langsam von etwa 5 auf 8 Millionen Zählereignisse pro Sekunde, während die Pumpe stabil blieb; die Ursache der Drift ist ungeklärt.

Um solche Drifts zu überwinden, verglich das Team jede Millisekunde Signal mit den Millisekunden unmittelbar davor und danach. In einem separaten dreistündigen Lauf ließ diese lokale Referenzierung das Rauschen bei der Mittelung fast so gut sinken, wie es die Photonenstatistik erlaubt, und erreichte nach 1.000 Sekunden eine relative Stabilität von 3,5 × 10⁻⁵. Die Autoren stellen dies als nachträglichen Test der Mittelung vor, noch nicht als gemessene Nachweisgrenze für die Absorption.

Hin zu helleren Quellen

Ein Spiegelresonator um einen dünneren Kristall könnte die Leistung auf dem Papier auf etwa 3,4 Mikrowatt steigern – eine Projektion, die geringe Verluste und stabilen Betrieb voraussetzt. Den Kristall zu dotieren oder seine innere Struktur zu kontrollieren, sind weitere Wege. Vorerst ist das Ergebnis eine praxistaugliche, lang laufende Quelle, um die schwache Absorption eines Thoriumkerns zu „belauschen“.