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Science
10/02/2020

Durchbruch: Die nukleare Uhr wird wahrscheinlicher

Mit einer neuen Messmethode haben Wissenschaftler den Grundstein gelegt, um die genaueste Uhr der Welt zu bauen.

Atomuhren kommen dann zum Einsatz, wenn exaktes Timing gefragt ist, etwa bei GPS-Systemen. Jeder noch so winzige Fehler könnte zu völlig falschen Ortsangaben führen. Atomuhren nutzen Quarz als Oszillator, also als System, das regelmäßige, messbare Schwingungen abgibt wie ein Pendel. Der Quarzoszillator überträgt diese Schwingungen in elektrische Impulse. Ein elektromagnetisches Wechselfeld wird erzeugt, dem Atome ausgesetzt werden. Bei bestimmten Frequenzen erhöht sich ihr Energielevel und das kann gemessen werden. Bemerkt man Abweichungen von der Regel, wir die Frequenz des Quarzoszillators angepasst.

Dieser Kreislauf sorgt für einen fast perfekten Mechanismus, der sich immer wieder selbst korrigieren kann. So präzise, dass die derzeit genaueste Atomuhr weniger als eine Sekunde abweichen würde, wenn man sie zur Geburt des Universums gestartet hätte. Ihre Abweichung beträgt lediglich 1018. Nun haben Wissenschaftler möglicherweise einen Weg gefunden, die Abweichung auf 1019 zu reduzieren. Dabei kommen Atomkerne des Isotops Thorium zum Einsatz. So eine nukleare Uhr ist zwar keine neue Idee, war bisher aber nicht umsetzbar.

UV-Strahlung

Das Prinzip der nuklearen Uhr wäre mit dem einer Atomuhr vergleichbar, jedoch würden die Atomkerne selbst Schwingen. Allerdings ist die benötigte Menge an Energie, die die meisten Atomkerne zum Schwingen bringt extrem hoch. Nun haben Wissenschaftler der Universität Heidelberg in Deutschland möglicherweise einen Weg gefunden, Throium-229 zu nutzen.

Hier würde UV-Strahlung ausreichen, um die Atomkerne in Schwingung zu bringen. Dazu müsste allerdings noch die exakte Wellenlänge bestimmt werden, mit der Thorium-229 bestrahlt werden muss. Bisher konnte man sich dem Wert nur annähern, doch die neuentwickelte Messmethode der Forscher könnte den Durchbruch bringen.

Neue Messmethode

Mit einem neuentwickelten Messgerät bestimmen sie die Gammastrahlen, die entstehen, wenn Throium-229 zerfällt. Die Strahlen erwärmen eine Platte. Die Sensoren auf der Platte messen dann die genaue Energie, die beim Zerfall entsteht: 8,1 Elektronvolt. Damit bräuchte man eine UV-Wellenlänge von 153,1 Nanometern. Ein anderes Forscherteam hat unlängst ein sehr ähnliches Ergebnis geliefert. Sie kamen auf 8,28 Elektronvolt und damit eine Wellenlänge von 149,7 Nanometern. Das Team aus Heidelberg schreibt im Paper, Fehler in ihrer Messung wären rein statistischer Natur. Würde man also weitere Messungen vornehmen, könnte man die richtige Wellenlänge korrekt bestimmen.

„Solche Uhren würden es ermöglichen, ein neues Maß an Präzision für Sonden der Grundphysik zu erreichen, z. B. für die Suche nach dunkler Materie oder als Gravitationswellendetektor. Sie können in verschiedenen Anwendungen wie Geodäsie oder satellitengestützter Navigation verwendet werden“ heißt es im Paper, das im Fachmagazin Physical Review Letters erschienen ist.

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