Wissenschaftler in Europa und China haben erstmals funktionsfähige Nuklearklokken gebaut und damit einen Meilenstein in der ultrapräzisen Zeitmessung erreicht. Unabhängige Teams an der Technischen Universität Wien sowie an Instituten in Peking und Shanghai nutzten dafür den Isotopenkern Thorium-229, der in Kristallen aus Calciumfluorid eingebettet und mit Ultraviolettlasern angeregt wird. Die Ergebnisse wurden in dieser Woche in zwei Studien in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Im Unterschied zu herkömmlichen Atomuhren, die Übergänge von Elektronen zwischen Energieniveaus messen, greifen Nuklearklokken direkt auf den Atomkern zu. Dessen Übergänge sind deutlich weniger anfällig für Störungen durch elektrische oder magnetische Felder und Temperaturschwankungen, da der Kern von der Elektronenhülle abgeschirmt wird. Möglich wird das Konzept, weil Thorium-229 einen außergewöhnlich niederenergetischen Übergang im Kern besitzt, der sich mit einem Laser im ultravioletten Bereich ansteuern lässt.

Die Funktionsweise ähnelt dabei etablierten optischen Atomuhren: Ein Laser wird auf eine Frequenz eingestellt, die exakt dem Energiewechsel im Kern entspricht. Weicht der Laser im Betrieb geringfügig von dieser Resonanz ab, ändert sich die Wahrscheinlichkeit, mit der Thorium-229-Kerne in einen angeregten Zustand übergehen. Ein Regelkreis misst diese Abweichung fortlaufend und korrigiert die Laserfrequenz. In einem der Experimente wurden Thorium-229-Kerne in Calciumfluorid-Kristallen fixiert, was ein kompaktes, potenziell transportables Design ermöglicht.

Noch übertreffen die Prototypen die besten Atomuhren nicht. Nach Schätzungen der Forschenden könnten die derzeitigen Nuklearklokken um etwa eine Sekunde in 30 Millionen Jahren driften und liegen damit ungefähr eine Größenordnung hinter den Cäsium-Atomuhren, die heute die offizielle Zeitskala definieren. Langfristig sehen die Teams jedoch Chancen, die Genauigkeit deutlich zu steigern. Perspektivisch könnten solche Uhren globale Navigationssysteme und Telekommunikationsnetze präziser synchronisieren und als empfindliche Sonden für Veränderungen fundamentaler Naturkonstanten oder für Hinweise auf bisher unbekannte Formen von Materie dienen.