Die Kernuhr beginnt zu ticken
Ab jetzt darf man von einer Uhr sprechen: So lautet die Essenz von gleich zwei Veröffentlichungen in der renommierten Wissenschaftszeitschrift „Nature“. Das Team um Ekkehard Peik von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und Thorsten Schumm von der Technischen Universität Wien berichtet darin über ihre neuesten, spektakulären Forschungsergebnisse, die zudem unerwartet schnell gelangen.
Nach der Sensation von 2024, als es nach jahrzehntelanger Forschung erstmals gelang, den Kern von Thorium mit einem Laser anzuregen, hat das Team jetzt ein viel präziseres und zudem kompakteres Lasersystem entwickelt, das einen echten Uhrenbetrieb ermöglicht. Mit dem an der PTB aufgebauten Lasersystem und den an der TU Wien hergestellten Thorium-dotierten Kalziumfluorid-Kristallen konnte jetzt in Wien erstmals ein Uhrenbetrieb gezeigt werden, bei dem das System über mehr als 24 Stunden ohne Nutzereingriff stabil läuft. Die neue Kernuhr könnte noch genauer werden als die optischen Atomuhren. Zudem wird damit die Atom- mit der Kernphysik für Experimente höchster Präzision direkt verknüpft.
Es war der Durchbruch zu einer neuen Art von Atomuhr: Vor etwa zweieinhalb Jahren gelang es Ekkehard Peik und Thorsten Schumm zum ersten Mal weltweit, einen Atomkern mit einem Laser anzuregen. Es ist das grundsätzliche Prinzip jeder Atomuhr, mit Lasern Atombestandteile anzuregen. Doch sind dies bislang immer Elektronen. In Atomkernen sind die Teilchen viel dichter gepackt, sodass die Energie eines Lasers normalerweise nicht ausreicht. Aber das Element Thorium-229 bot eine Chance: „Er weist zwei sehr eng benachbarte Energiezustände auf, sodass ein Laser ausreicht, um den Zustand des Atomkerns zu verändern“, erklärt Ekkehard Peik.
Dies wusste der PTB-Physiker, als er 2003 das Prinzip einer Kernuhr mit Thorium vorschlug. Aber es sollte rund 20 Jahre dauern, bis er in der Kooperation mit Thorsten Schumm genau die passende Frequenz fand. Es war die Suche nach der Nadel im Heuhaufen: „Um den Kern gezielt anzuregen, muss die nur ungenau bekannte Energie des Übergangs mit einem Laser auf ein Millionstel Elektronenvolt genau getroffen werden“, erläutert Peik.
Möglich wurde der Erfolg, weil Thorsten Schumm mit seiner Gruppe an der Universität Wien spezielle Thorium-dotierte Kalziumfluorid-Kristalle gezüchtet hatte, in denen viele Thoriumkerne auf einmal getroffen werden konnten. So erhöhte sich die Chance massiv, die passende Laserfrequenz zu finden.
Doch bis zur echten Uhr fehlte noch ein entscheidender Schritt. „Unser zunächst genutztes Lasersystem benötigte eine Fläche von mehreren Quadratmetern auf optischen Tischen und lief nur im gepulsten Betrieb“, erläutert Ekkehard Peik. In einer Kooperation mit dem Max-Born-Institut in Berlin arbeiteten die PTB-Physiker*innen mit Hochdruck an diesem Problem. Im Dezember 2025 konnten sie das Ergebnis vorstellen: einen kompakten, kontinuierlich emittierenden Festkörperlaser mit sehr hoher Frequenzauflösung.
Das erste Ticken
Jetzt gelang der genügend empfindliche Nachweis der Kernanregung. „In den ersten Experimenten hatten wir den Kristall jeweils für zwei Minuten mit dem Laser bestrahlt, daraufhin den Laserstrahl geblockt und das von den angeregten Kernen abgestrahlte Fluoreszenzlicht beobachtet und gemessen“, erläutert Peik. „Dieser Vorgang erfolgt nur langsam, mit einer Zeitkonstante von etwa 10 Minuten. Dies ist zu langsam, um damit die Frequenz des Lasers auf die Kernresonanz stabilisieren zu können, wie es für den Betrieb als optische Uhr notwendig ist.“ Mit dem neuen, in Frequenz und Leistung viel stabileren Laser war es jetzt möglich, anstelle der abgestrahlten Fluoreszenz die von den Kernen absorbierte Laserleistung zu messen. Der Laser muss zum Nachweis nicht mehr geblockt werden, und das Signal erfährt keine Zeitverzögerung. Es kann daher verwendet werden, um die Laserfrequenz über kurze und lange Zeiten an die Kernresonanzfrequenz anzubinden.
Damit waren die wichtigsten technischen Voraussetzungen erfüllt: Mit dem an der PTB aufgebauten Lasersystem und den an der TU Wien hergestellten Thorium-dotierten Kalziumfluorid-Kristallen konnte in Wien erstmals Uhrenbetrieb gezeigt werden, bei dem das System über mehr als 24 Stunden ohne Nutzereingriff stabil läuft. Verglichen wurde die Uhr dabei mit einer optischen Uhr des österreichischen Metrologieinstituts BEV–PTP in Wien.
Enorm schneller Erfolg
Betrachtet man die lang andauernden Entwicklungsarbeiten an anderen optischen Uhren, stellt dies einen enorm schnellen Fortschritt für ein noch junges Arbeitsgebiet dar. In mehrfacher Hinsicht wird mit dieser Kernuhr Neuland betreten: Es handelt sich um die erste Uhr, die auf einer Kernresonanz beruht und die als Taktgeber einen Festkörper verwendet, keine im Vakuum gespeicherten Atome oder Ionen wie in allen anderen aktuell entwickelten optischen Uhren.
Die neuen Messmöglichkeiten mit der Kernuhr wurden bereits für verschiedene physikalische Untersuchungen eingesetzt, die ebenfalls in den beiden Publikationen präsentiert werden: Der Thorium-Kern kann im Kristallgitter des Kalziumfluorids verschiedene Positionen einnehmen. Aus dem daraus resultierenden Spektrum der Kernresonanz erhält man Information über den mikroskopischen Aufbau des Systems und kann diese zu einer Optimierung der Uhr einsetzen. Des Weiteren wurde ein erster Test über mögliche Kopplungen des Th-229-Kerns an bestimmte Formen dunkler Materie durchgeführt, eine noch vorläufige Anwendung der Kernuhr für eine grundlegende, offene Fragestellung der Physik.
Weltweit beachtet
Bereits vor der Veröffentlichung in „Nature“ haben die Resultate starke Aufmerksamkeit auf wissenschaftlichen Konferenzen erfahren, auch dadurch getrieben, dass wenige Wochen nach Bekanntwerden der Resultate aus Wien ähnliche Experimente von einer Kooperation chinesischer Institute unter Leitung der Tsinghua Universität berichtet wurden. Die in Braunschweig und Wien initiierte Forschung an der Thorium-229-Kernuhr ist innerhalb weniger Jahre zu einer weltweit beachteten Aktivität geworden.
„Die jetzt erzielte Stabilität der Kernuhr stellt im Vergleich zu den besten optischen Uhren mit gespeicherten Atomen oder Ionen noch keinen Weltrekord auf, aber es ist klar absehbar, wo die derzeitigen technischen Grenzen liegen und welche Eigenschaften der Lasersysteme und Thorium-Kristalle weiter verbessert werden müssen, um voll konkurrenzfähig zu werden“, blickt Ekkehard Peik auf die nahe Zukunft.
(es/ptb(
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Ekkehard Peik, Leiter des PTB-Fachbereichs 4.4. Zeit und Frequenz, Telefon: (0531) 592-4400, ekkehard.peik@ptb.de
Originalpublikation:
I. Morawetz et al.: Continuous-wave laser absorption spectroscopy of the thorium-229 nucleus. Nature 657, 626–631 (2026), DOI: 10.1038/s41586-026-11011-7
L. Toscani et al.: A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop. Nature xxxxxxxx, DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4
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