Messungen des Schlüsselradioaktiven Zerfalls bringen eine Atomuhr näher an die Realität heran.

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Eine besondere Variante des Elements Thorium beherbergt einen atomaren Kern, der zur Zeitmessung genutzt werden könnte, sagen Wissenschaftler. Zum ersten Mal haben Forscher eine Art Zerfall dieses Thoriumkerns gemessen, bei dem ein einzelnes Teilchen Licht freigesetzt wird. Die Messung der bei diesem Zerfall freigesetzten Energie ist siebenmal genauer als Schätzungen, die auf unterschiedlichen Arten von Zerfällen beruhen, berichten Forscher in der Natur vom 25. Mai. Die verbesserte Energiemessung könnte die Arbeit an der ersten Atomuhr vorantreiben, die in die Fußstapfen von Atomuhren treten würde.

"Wir haben bereits erstaunliche Atomuhren, die sehr präzise laufen", sagt der Kernphysiker Sandro Kraemer von der KU Leuven in Belgien. Diese Atomuhren basieren auf der Physik der Elektronen, die ein Atom umgeben (SN: 10/05/17). Eine Atomuhr würde auf dem Kern des Atoms basieren. Einige Wissenschaftler glauben, dass Atomuhren sogar präziser sein könnten als Atomuhren, die bereits so mächtige Werkzeuge sind, dass sie in allem eingesetzt werden, von GPS-Satelliten bis hin zu Experimenten, die testen, ob grundlegende Naturgesetze gelten (SN: 6/4/21).

Die gut etablierte Technologie der Atomuhren basiert darauf, wie die Elektronen eines Atoms in einen höheren Energiezustand springen. Es braucht eine spezifische Frequenz des Lichts mit genau der richtigen Menge an Energie, um den Sprung auszulösen. Die Schwingung dieses Lichts wirkt wie das Ticken einer Uhr. Eine Atomuhr würde auf ähnlichen Energie-Sprüngen basieren, die von einem Kern gemacht werden.

Die meisten Atomkerne haben Energiezustände, die zu weit voneinander entfernt sind, um es Wissenschaftlern zu ermöglichen, den Sprung mit einem Laser auszulösen - eine Notwendigkeit beim Bau einer Uhr. Aber eine besondere Variante oder Isotop von Thorium namens Thorium-229 hat zwei Energiezustände ungewöhnlich nah beieinander - ungefähr 8 Elektronenvolt. Dennoch hat noch niemand den Sprung mit einem Laser auslösen können, weil die Größe dieser Energie-Lücke bisher nicht genau bekannt war.

Kraemer und seine Kollegen maßen die Energie, die freigesetzt wird, wenn die Thorium-229-Kerne zerfallen und von ihrem höheren Energiezustand herunter springen. Zuerst musste das Team Thorium-229 in diesen Hochenergiezustand namens Isomer bringen. Eine Möglichkeit dazu besteht darin, von einem anderen Element auszugehen, das in das Thorium-Isomer zerfallen kann. Mit einem radioaktiven Strahl am ISOLDE-Facility am europäischen Physiklabor CERN in der Nähe von Genf bettete das Team Actinium-229 in Kristalle aus Calciumfluorid und Magnesiumfluorid ein. Das Actinium-229 zerfiel und produzierte das Thorium-229-Isomer.

Diese Technik half den Wissenschaftlern, einen Knackpunkt zu umgehen. Normalerweise zerfällt Thorium-229 auf eine Art und Weise, die es schwer macht, die Energie zu messen, indem es seine Energie an ein Elektron überträgt und es aus dem Atom herausschlägt. Ein Zerfall, der ein Lichtteilchen oder Photon abgibt, ist viel einfacher zu messen, kommt aber normalerweise nur einmal in einer Milliarde Zerfälle vor.

Das Einbetten des Thorium-229 in die Kristalle unterdrückte den schwerer zu messenden Zerfall und ließ den Einzelphotonenzerfall dominieren. Das ermöglichte den Forschern, die Einzelphotonen aus den Isomer-Zerfällen zu detektieren und ihre Energie zu messen. Die Forscher schätzten, dass der Zerfall eine Energie von 8,338 Elektronenvolt hatte. Diese Zahl stimmt mit früheren Messungen überein, wie weit die beiden Energiezustände auseinander liegen, ist aber viel genauer.

"Das ist ein Meilenstein, auf den die Leute schon lange gewartet haben", sagt der Quantenphysiker Simon Stellmer von der Universität Bonn in Deutschland, der nicht an der Studie beteiligt war. Frühere Behauptungen der Entdeckung dieses Zerfalls haben nicht standgehalten, sagt Stellmer. "Dies scheint die erste wahre und echte Beobachtung dieses Isomer-Zerfalls zu sein."

Physiker arbeiten nun daran, einen Laser zu verwenden, um den Energiewechsel auszulösen, der vom niedrigen Energiezustand zum höheren Isomer-Energieniveau führt, als nächsten Schritt zur Schaffung einer Atomuhr. "Das ist tatsächlich etwas, was wir in unserem Labor versuchen zu tun", sagt der Physiker Ekkehard Peik vom Nationalen Metrologie-Institut Deutschlands in Braunschweig, der nicht an der neuen Forschung beteiligt war. "Deswegen sind wir sehr aufgeregt."

Eine Atomuhr könnte eine neue Perspektive auf Phänomene der Physik bieten. "Es wäre sehr interessant, konventionelle Atomuhren und Atomuhren zu vergleichen, da die zugrunde liegende Physik... unterschiedlich ist", sagt Peik. Atomuhren könnten zum Beispiel subtile Variationen in den fundamentalen Konstanten der Natur aufdecken (SN: 11/2/16).

Ein weiterer Vorteil der Kernenergie: Die Uhren könnten mit Kernen innerhalb eines festen Materials hergestellt werden, im Unterschied zu Atomuhren, bei denen Atome innerhalb eines Vakuumkammer aufgehängt werden müssen. Das bedeutet, dass eine Atomuhr stabiler sein und Messungen schneller durchführen könnte, sagt Kraemer.