Durchbruch: TU Wien findet jahrzehntelang gesuchten Thorium-Übergang

Atome mittels Lasern von einem quantenmechanischen Zustand in einen anderen zu versetzen, das beherrscht die Menschheit seit einiger Zeit. Atomuhren basieren u.a. auf dem Prinzip. Seit einiger Zeit wird jedoch an einer Methode geforscht, um alleine Atomkerne mit Lasern anzuregen und ihren Zustand wechseln zu lassen. Sie sind viel kleiner als ein ganzes Atom und daher weniger anfällig für Störungen von außen, etwa elektromagnetische Felder. Würde man es schaffen, ihren Zustand zu ändern und diese Veränderung festzustellen, dann könnte dies Messungen in einer Präzision ermöglichen, die man bisher nicht kannte.

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Genauer Treffer war Voraussetzung

Ein Element bot sich für dieses Vorhaben vor allen anderen an: Thorium. Es weist zwei Quantenzustände auf, die relativ nah beieinander liegen. Bei Thoriumkernen kann man Veränderungen mit einem Laser bewirken. "Atomkerne lassen sich normalerweise mit Lasern nicht manipulieren. Die Energie der Photonen reicht dafür einfach nicht aus", sagt Thorsten Schumm von der TU Wien.

Das Problem ist nur, dass man einen ganz genauen Energiewert treffen muss, um eine Zustandsveränderung herbeizuführen. Hat der Laser zu viel Energie, passiert nichts, zu wenig, und es passiert nichts. Man muss es bis auf ein Millionstel Elektronenvolt genau wissen.

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Neue Methode mit Kristallen

Die richtige Energiemenge zu finden, ist keine leichte Aufgabe. In den vergangenen Jahrzehnten - seit den 90er-Jahren - näherte man sich dem genauen Wert immer weiter an. Die dabei eingesetzte Methode lieferte aber nur langsame Fortschritte. Die Nadel im sprichwörtlichen Heuhaufen wurde bisher nicht gefunden. Nun aber ist es gelungen. Forscher*innen der TU Wien und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig haben es geschafft.

Schüssel zum Erfolg war eine ganz neue Technik: "Wir entwickelten Kristalle, in denen Thorium-Atome in großer Anzahl eingebaut werden", erklärt Fabian Schaden von der TU Wien. "Das ist zwar technisch recht aufwendig, aber hat den Vorteil, dass wir auf diese Weise nicht nur einzelne Thorium-Kerne studieren, sondern rund 10 hoch 17 Thorium-Kerne gleichzeitig mit dem Laser treffen können - etwa eine Million Mal mehr, als es Sterne in unserer Galaxie gibt."

Suche am 21. November 2023 geglückt

Durch die große Zahl an Atomkernen konnte die Messdauer verkürzt werden, die Suche dauerte aber dennoch ihre Zeit. Am 21. November 2023 schließlich gelangte man ans Ziel. Die Energie des gesuchten Thorium-Übergangs wurde exakt getroffen. Der Laserstrahl hatte den Zustand des Atomkerns tatsächlich gezielt umgeschaltet. Nach Überprüfung der Daten wurde das Ergebnis nun im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht.

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Was dadurch nun möglich werden könnte

Der Thorium-Übergang liegt bei 8,355743 plus minus 0,000003 Elektronenvolt. Was fängt man nun mit diesem Wissen an? Man könnte damit Zeitmessungen vornehmen, die noch viel genauer sind, als mit Atomuhren. Dadurch kann man die Messgenauigkeit für eine ganze Fülle an Problemen erhöhen. Laut der TU Wien könnte man etwa das Gravitationsfeld der Erde ganz genau vermessen und durch winzige Abweichungen Hinweise auf Bodenschätze tief im Erdinneren finden oder Erdbebenwahrscheinlichkeiten vorhersagen.

Außerdem könnte man mit hochpräzisen Thorium-Uhren Naturkonstanten überprüfen. Sind bestimmte Kräfte tatsächlich immer gleich oder gibt es winzige Abweichungen? Lassen sich dadurch Dinge wie Dunkle Materie oder Dunkle Energie erklären? "Unsere Messmethode ist erst der Anfang", ist Studienleiter Thorsten Schumm überzeugt. "Welche Ergebnisse man damit erzielen wird, lässt sich heute noch gar nicht abschätzen. Spannend wird es ganz sicher."