Zwei Prototypen nehmen am selben Tag den Betrieb auf
Am 7. Oktober 2026 veröffentlichten zwei unabhängige Forschungsteams – eines unter Leitung der Technischen Universität Wien (TU Wien) und eines unter Führung der Tsinghua-Universität – gleichzeitig zwei wegweisende Arbeiten im Fachjournal Nature. Sie stellten die weltweit ersten beiden betriebsbereiten Atomkernuhren vor. Eine Vision, auf deren Realisierung die Physikgemeinde fast 50 Jahre lang gewartet hatte, wurde an einem einzigen Tag in Form zweier unabhängig tickender physikalischer Apparaturen Wirklichkeit.
Shiqian Ding, Physiker an der Tsinghua-Universität und einer der Leiter des Pekinger Teams, betonte, dass der gleichzeitige Erfolg zweier unabhängiger Entwicklungswege die Robustheit des Grundkonzepts eindrucksvoll unterstreicht. Beide Teams setzten auf grundlegend verschiedene Laserkonzepte und bezogen ihre Kristalle aus unterschiedlichen Quellen – ein klarer Beweis dafür, dass dieser Technologiepfad nicht an eine einzelne proprietäre Hardwarelösung gebunden ist.
Die Wiener Uhr entstand in langjähriger Kooperation zwischen der TU Wien und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB Braunschweig) und baut auf Fortschritten auf, die seit 2024 kontinuierlich vorangetrieben wurden.
Warum die Kernuhr fünf Jahrzehnte auf sich warten ließ
Bis heute repräsentieren optische Atomuhren den absoluten Zenit der irdischen Zeitmessung. Sie kalibrieren die Sekunde über Übergänge von Elektronen in der Atomhülle und weichen in rund 100 Milliarden Jahren um lediglich eine Sekunde ab. Die neu entwickelten Kernuhren verzichten vollständig auf die äußeren Hüllenelektronen und zählen stattdessen die Quantenoszillationen zwischen zwei Zuständen des Thorium-229-Atomkerns. Da der Atomkern mehr als zehntausendmal kleiner ist als das gesamte Atom, reagiert er unvergleichlich unempfindlicher auf störende elektromagnetische Felder der Umgebung – und bringt damit die physikalische Grundvoraussetzung für extreme Langzeitstabilität mit.
Bereits seit 2003 suchten Physiker nach der Resonanzfrequenz von Thorium-229, um den Übergang des Atomkerns gezielt mit einem Laser anzuregen. Mehr als zwei Jahrzehnte akribischer Präzisionsmessungen waren nötig, um diese entscheidende Übergangsfrequenz im Vakuum-Ultraviolett-Bereich (VUV) bei einer Wellenlänge von 148 Nanometern exakt zu bestimmen. Das Kernisomer von Thorium-229 weist einen außergewöhnlich kleinen Energieabstand auf und ist der einzige bisher bekannte Atomkern, der sich direkt mit optischem Laserlicht anregen lässt.
Forschende der TU Wien und der PTB regten den Thoriumkern im April 2024 erstmals erfolgreich mit einem Laser an. Im Herbst 2024 koppelten sie die Anregungsapparatur mit einem herkömmlichen optischen Frequenzkamm und nutzten den Thoriumkern als Frequenzreferenz. Vom ersten Nachweis einer einzelnen Kernanregung bis hin zu einer eigenständig laufenden Uhr vergingen jedoch weitere zwei Jahre – Entwicklungszeit, die fast vollständig in die Implementierung des geschlossenen Rückkopplungskreises floss.
Abbildung: Ein mit Thorium-229 dotierter Calciumfluorid-Kristall in der Halterung einer Vakuumkammer, während Laserstrahlen die Atomkerne abtasten. Quelle: Thorsten Schumm / TU Wien
148-Nanometer-Ultraviolettlicht bringt den Atomkern in Schwingung
Trifft Laserlicht mit einer Wellenlänge von 148 Nanometern auf den Thoriumkern, wechselt dieser blitzschnell zwischen einem verformten, abgeflachten Zustand und seinem Grundzustand hin und her. Das hochpräzise Erfassen der Takte dieses Formwechsels bildet das fundamentale Prinzip, mit dem die Kernuhr die Zeit misst.
Thorsten Schumm, korrespondierender Autor der Wiener Studie, erläuterte den Mechanismus der Selbststabilisierung: Der Laser versetzt die Thoriumkerne in einen angeregten Zustand, und die Kerne stabilisieren im Gegenzug die Frequenz des Lasers. Weicht der Laser von der Resonanz ab, sinkt die Photonenabsorptionsrate der Thoriumkerne drastisch ab – woraufhin das Regelsystem die Laserfrequenz automatisch auf den Sollwert nachjustiert. Durch die Kopplung von Laseremission und Kristallabsorption zu einer automatischen Regelschleife werden Störungen wie Temperaturschwankungen direkt auf Hardwareebene neutralisiert.
Der aktuelle Prototyp erreicht eine relative Frequenzstabilität von rund 10^-15 über einen Tag, was einer Gangungenauigkeit von einer Sekunde in 30 Millionen Jahren entspricht. Damit liegt er zwar noch um einen Faktor 10 hinter primären Cäsium-Fontänenuhren und um den Faktor 10.000 hinter modernsten optischen Gitteruhren. Doch der Prototyp demonstriert den gesamten geschlossenen Prozess der Kernzeitmessung fehlerfrei und überführt die theoretische Kernphysik in ein iteratives Hardware-Entwicklungsprojekt, bei dem einzelne Komponenten nun gezielt optimiert werden können.
Abbildung: Das abgedunkelte Wiener Labor, in dem Forschende am optischen Tisch arbeiten. Im selben Raum tickt eine selbststabilisierende Kernuhr kontinuierlich vor sich hin. Quelle: Matthias Heisler / TU Wien
Ein Mikrogramm Thorium erzwingt Hochleistungslaser
Die beiden zeitgleich vorgestellten Prototypen weisen eine bemerkenswerte komplementäre Dynamik auf. Das Kernisomer von Thorium-229 hat eine Halbwertszeit von etwa 8.000 Jahren, kommt in der Natur praktisch nicht vor und muss aufwendig aus den Zerfallsprodukten von waffenfähigem Uran isoliert werden. Die extreme Knappheit des Ausgangsmaterials prägte die Entwicklungsstrategie jedes Teams: Wer weniger Thorium besaß, musste deutlich leistungsstärkere Laser bauen.
Das Pekinger Team verfügte über lediglich 1 Mikrogramm Thorium-229. Um aus dieser winzigen Probe ein ausreichend starkes Resonanzsignal zu gewinnen, entwickelten die Forschenden ein eigenes Hochleistungslasersystem bei 148 Nanometern auf Basis der Vier-Wellen-Mischung in erhitztem Cadmiumdampf. Veröffentlichte Messdaten zeigen, dass der Pekinger Hochleistungsansatz eine rund sechsmal höhere Kurzzeitstabilität als der Wiener Prototyp erzielte.
Während dem Wiener Team ein solcher Hochleistungslaser für das Vakuum-Ultraviolett noch fehlt, verfügt es über Calciumfluorid-Kristalle mit deutlich höherer Thorium-Dotierung und überlegener optischer Güte. Während eine Gruppe die Leistungsgrenze der Laserquelle durchbrach, steigerte die andere die optische Reinheit des Kernkristalls. Ein Austausch von Komponenten zwischen beiden Konzepten dürfte der nächsten Gerätegeneration einen gewaltigen Leistungssprung bescheren.
Abbildung: Die Vakuumkammer für den Thoriumkristall und die optischen Stellelemente im Labor. Quelle: Thorsten Schumm / TU Wien
Der Unterschied liegt nicht im Prinzip, sondern in den Bauteilen
Schumm beschreibt das parallele Voranschreiten beider Gruppen als intensiven, aber freundschaftlichen globalen Wettbewerb. Es geht längst nicht mehr um die Frage, ob ein neuer physikalischer Effekt überhaupt existiert; im Mittelpunkt steht nun ein ingenieurtechnischer Wettlauf um die optimale Systemkonfiguration.
Der nächste große Leistungssprung erfordert nicht mehr jahrzehntelange Grundlagenforschung in isolierten Laboren. Künftige Entwicklungen müssen lediglich die hochenergetischen Cadmiumdampflaser mit den hochdotierten Calciumfluorid-Kristallen zusammenführen. Der Schwerpunkt des Wettbewerbs hat sich endgültig von der Suche nach physikalischen Mechanismen zur Fertigung reinerer Kristalle und stärkerer Laser verlagert.
Dunkle Materie mit mikroskopischen Takten aufspüren
Das Spektrum künftiger Anwendungen für Kernuhren reicht von Satellitennavigationssystemen über hochpräzise Zeitsynchronisation in Datennetzen bis hin zur geodätischen Höhenmessung und Metrologie. Eric Hudson, Physiker an der UCLA, der nicht an den Arbeiten beteiligt war, betonte, dass sich dieses Forschungsfeld mit atemberaubender Geschwindigkeit bewege. Da Satellitennavigation und weltweite Datenübertragung auf extrem präzise Takte angewiesen sind, besteht die nächste entscheidende Hürde darin, die Uhren außerhalb geschützter Laborbedingungen betriebsbereit zu machen.
Auf lange Sicht sollen Kernuhren zudem zur direkten Suche nach Dunkler Materie und zur Überprüfung grundlegender Naturkonstanten eingesetzt werden. Sollten hypothetische Teilchen der Dunklen Materie den Thoriumkern durchdringen, würden sie winzige, aber messbare Frequenzverschiebungen im gleichmäßigen Takt der Uhr hervorrufen. Die theoretische Physikerin Elina Fuchs von der Leibniz Universität Hannover hob hervor, dass Kernuhren ein völlig neues Beobachtungsfenster öffnen, um Wechselwirkungen von Dunkler Materie mit Atomkernen zu untersuchen.
Bis zur praktischen Detektion Dunkler Materie bleibt jedoch noch ein weiter Weg. Unbekannte Kernparameter erschweren die exakte Berechnung von Empfindlichkeitsfaktoren, und Störungen durch das Kristallgitter, Systemminiaturisierung sowie Transportfähigkeit bleiben offene Herausforderungen. Doch mit dem Sprung von einer fünfzigjährigen Theorie zu zwei parallel laufenden Messapparaturen ist die Kernzeitmessung zu einem reproduzierbaren Ingenieurpfad geworden. Die Spielregeln der zweiten Halbzeit sind klar: Welchem Team es zuerst gelingt, Kristalle und Laser nach industriellen Maßstäben zu fertigen, wird die Zeitmessung der nächsten Generation definieren.
Referenzen:
- TU Wien / PTB Nature-Publikation
- Tsinghua-Universität Nature-Publikation
- TU Wien offizielle Pressemitteilung
- Hacker News Diskussion
