Digital In Arbeit
Feuilleton

Treibt Thorium die Atom-Armbanduhr?

1945 1960 1980 2000 2020
1945 1960 1980 2000 2020

Mobile Atomuhren liegen noch in ferner Zukunft, aber der Weg dorthin wird gegenwärtig in Wien gepflastert: Der Physiker Thorsten Schumm baut eine neue Atomuhr, mit Thorium-229. Der Wissenschafter erhielt 2009 den START-Preis, heuer den ERC Setting Grant – nahezu die Hälfte des Preisgeldes von 1,3 Mio. Euro dient der Investition in ein Lasersystem.

An der Zeit haben sich schon viele kluge Köpfe die Zähne ausgebissen. Bereits der Kirchenvater Augustinus hat auf die Schwierigkeit hingewiesen, diesen intuitiv eigentlich ganz verständlichen Begriff genau zu erklären. Die stets nüchterne Physik hingegen gibt sich damit zufrieden, die Zeit zu messen – und zwar möglichst genau. Seit 1967 ist eine Sekunde definiert als ein etwa neun Milliardstel der Dauer, die ein Elektron des Cäsiumatoms braucht, um von seinem energetischen Grundzustand auf einen höheres Niveau zu springen und wieder zurück. Die Messung erfolgt in sogenannten Atomuhren, die in 40 Millionen Jahren um maximal eine Sekunde aus dem Takt fallen. Damit hängen sie selbst edle Schweizer Luxuschronografen um mehrere Größenordnungen ab.

Atomkern löst Elektronen ab

Dem Physiker Thorsten Schumm vom Atominstitut der Technischen Universität Wien ist das noch nicht genau genug. Er arbeitet daran, eine völlig neue Art von Atomuhr zu entwickeln, die bislang ungekannte Maßstäbe an Präzision bieten soll, eine sogenannte Kernuhr. In herkömmlichen Atomuhren werden Atome, meist Cäsium oder Wasserstoff, unter Vakuum mit Mikrowellen von exakt abgestimmter Frequenz bestrahlt. Dadurch gehen die Elektronen der Atomhülle für kurze Zeit auf ein höheres Energieniveau über. Springen sie zurück in den Grundzustand, geben sie Energie ab, die gemessen werden kann. Solange dieses atomare Gezappel anhält, ist die Bestrahlungsfrequenz richtig gewählt. Kleine Abweichungen werden laufend nachgeregelt. Beim Cäsiumatom beträgt die Frequenz etwa neun Milliarden Schwingungen pro Sekunde (genau: 9 192 631 770). Sie ist die Grundlage für die Definition der Zeit. Schumms alternativer Ansatz besteht nun darin, nicht Elektronen, sondern Atomkerne selbst anzuregen. Dafür benötigt man normalerweise sehr hohe Energien wie sie sich nur in riesigen Teilchenbeschleunigern, etwa am CERN, erzeugen lassen. Mit einer Ausnahme: Das Isotop Thorium-229 besitzt einen Energieübergang, der sich bereits mit der niedrigen Energie von Laserlicht anregen lässt. „Wir betreiben eine Physik, die man sonst bei viel höheren Energien mit ganz anderen Techniken machen würde“, sagt Schumm.

Suche nach richtiger Wellenlänge

Energieübergänge von Elektronen basieren vor allem auf elektromagnetischen Wechselwirkungen. Im Atomkern wirkt dagegen vornehmlich jene Kraft, die man – in Ermangelung eines besseren Namens – „starke Kernkraft“ nennt. Dieser Brückenschlag zwischen Atomphysik und Kernphysik ist wissenschaftliches Neuland. Erst seit 2007 weiß man, dass es prinzipiell betretbar ist. Damals hat eine Gruppe um Bret Beck vom kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory den Nachweis erbracht, dass sich Thorium optisch anregen lässt. Die gesuchte Wellenlänge des Lasers, bei der die Anregung stattfindet, liegt im ultravioletten Bereich bei etwa 160 Nanometern. Wo ganz genau, weiß allerdings bis dato keiner. Es gilt deshalb, den Bereich penibel abzusuchen, bis die richtige Wellenlänge gefunden ist. „Das ist wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen“, sagt Schumm. „Die Kunst besteht darin, den Laser auf das gesuchte Intervall hinzubiegen und dann durchzuprobieren.“ Leider kann man den benötigten Laser nicht einfach im Handel erwerben, man muss ihn selber bauen. Besondere Hoffnung setzt Schumm auf einen sogenannten Frequenzkamm. Dieses Gerät kann gleichzeitig eine große Anzahl von Frequenzen produzieren. Die Suche nach der Nadel im Heuhaufen ließe sich dadurch deutlich einschränken. Der deutsche Physiker Ted Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik erhielt für die Erfindung des Frequenzkamms 2005 den Nobelpreis.

Ausgangsmaterial ist Uran

Der zweite Schwerpunkt von Schumms Projekt gilt dem Thorium selbst. Das Isotop ist ein Zerfallsprodukt von Uran, das als waffenfähig eingestuft ist. „Uran ist nur wenigen Einrichtungen zugänglich“, so Schumm. „Das Atominstitut ist weltweit einer von wenigen Orten, an denen diese Forschung durchgeführt werden kann.“ Das Thorium muss in einer Darreichungsform vorliegen, in der man es bestrahlen kann. Dafür wird es mittels radiochemischer Methoden aus Uran extrahiert und gereinigt. In Pulverform soll das Thorium dann eingeschmolzen und in einen UV-transparenten Kristall aus Calciumfluorid eingebaut werden. Diesen Kristall muss man zuletzt noch polieren, bis er die gewünschten optischen Eigenschaften hat und dem Laserlicht ausgesetzt werden kann. Da zwei Kristalle wohl niemals exakt identisch sind, wird außerdem zu untersuchen sein, ob Eigenheiten der Bauweise, das Messergebnis beeinflussen.

Schutz vor Störfeldern

Für seine Forschung erhielt Schumm vergangenen Herbst den renommierten START-Preis vom Wissenschaftsfonds FWF. Diesen Sommer bekam er zusätzlich das europäische Pendant, den ERC Starting Grant des European Research Council (ERC). Das Preisgeld beträgt 1,3 Millionen Euro für fünf Jahre. Das Geld kann Schumm gut brauchen. Denn: „Experimentalphysik ist eine teure Angelegenheit“, sagt er. „Alleine das Lasersystem wird etwa eine halbe Million Euro kosten.“

Eine optisch angeregte Kernuhr hätte mehrere Vorteile gegenüber den herkömmlichen Cäsium-Atomuhren. Im Unterschied zu diesen müsste sie nicht aufwändig gegen elektromagnetische Störfelder abgeschirmt werden. Denn die Elektronenhülle des Thoriumatoms würde selbst als solcher Schirm fungieren. Auf Basis des neuen Prinzips könnten deshalb eines Tages robuste, mobile Atomuhren gebaut werden. Außerdem wäre die Genauigkeit der Thoriumuhr um etwa den Faktor 1000 besser als jene der gängigen Cäsiumuhren.

Als modernen Uhrmacher sieht sich Schumm nicht. „Der Bau einer Atomuhr ist eine schöne Anwendung der Forschung“, sagt er. „Was mich aber antreibt, ist es, die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse zu verstehen.“

Mobile Atomuhren liegen noch in ferner Zukunft, aber der Weg dorthin wird gegenwärtig in Wien gepflastert: Der Physiker Thorsten Schumm baut eine neue Atomuhr, mit Thorium-229. Der Wissenschafter erhielt 2009 den START-Preis, heuer den ERC Setting Grant – nahezu die Hälfte des Preisgeldes von 1,3 Mio. Euro dient der Investition in ein Lasersystem.

An der Zeit haben sich schon viele kluge Köpfe die Zähne ausgebissen. Bereits der Kirchenvater Augustinus hat auf die Schwierigkeit hingewiesen, diesen intuitiv eigentlich ganz verständlichen Begriff genau zu erklären. Die stets nüchterne Physik hingegen gibt sich damit zufrieden, die Zeit zu messen – und zwar möglichst genau. Seit 1967 ist eine Sekunde definiert als ein etwa neun Milliardstel der Dauer, die ein Elektron des Cäsiumatoms braucht, um von seinem energetischen Grundzustand auf einen höheres Niveau zu springen und wieder zurück. Die Messung erfolgt in sogenannten Atomuhren, die in 40 Millionen Jahren um maximal eine Sekunde aus dem Takt fallen. Damit hängen sie selbst edle Schweizer Luxuschronografen um mehrere Größenordnungen ab.

Atomkern löst Elektronen ab

Dem Physiker Thorsten Schumm vom Atominstitut der Technischen Universität Wien ist das noch nicht genau genug. Er arbeitet daran, eine völlig neue Art von Atomuhr zu entwickeln, die bislang ungekannte Maßstäbe an Präzision bieten soll, eine sogenannte Kernuhr. In herkömmlichen Atomuhren werden Atome, meist Cäsium oder Wasserstoff, unter Vakuum mit Mikrowellen von exakt abgestimmter Frequenz bestrahlt. Dadurch gehen die Elektronen der Atomhülle für kurze Zeit auf ein höheres Energieniveau über. Springen sie zurück in den Grundzustand, geben sie Energie ab, die gemessen werden kann. Solange dieses atomare Gezappel anhält, ist die Bestrahlungsfrequenz richtig gewählt. Kleine Abweichungen werden laufend nachgeregelt. Beim Cäsiumatom beträgt die Frequenz etwa neun Milliarden Schwingungen pro Sekunde (genau: 9 192 631 770). Sie ist die Grundlage für die Definition der Zeit. Schumms alternativer Ansatz besteht nun darin, nicht Elektronen, sondern Atomkerne selbst anzuregen. Dafür benötigt man normalerweise sehr hohe Energien wie sie sich nur in riesigen Teilchenbeschleunigern, etwa am CERN, erzeugen lassen. Mit einer Ausnahme: Das Isotop Thorium-229 besitzt einen Energieübergang, der sich bereits mit der niedrigen Energie von Laserlicht anregen lässt. „Wir betreiben eine Physik, die man sonst bei viel höheren Energien mit ganz anderen Techniken machen würde“, sagt Schumm.

Suche nach richtiger Wellenlänge

Energieübergänge von Elektronen basieren vor allem auf elektromagnetischen Wechselwirkungen. Im Atomkern wirkt dagegen vornehmlich jene Kraft, die man – in Ermangelung eines besseren Namens – „starke Kernkraft“ nennt. Dieser Brückenschlag zwischen Atomphysik und Kernphysik ist wissenschaftliches Neuland. Erst seit 2007 weiß man, dass es prinzipiell betretbar ist. Damals hat eine Gruppe um Bret Beck vom kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory den Nachweis erbracht, dass sich Thorium optisch anregen lässt. Die gesuchte Wellenlänge des Lasers, bei der die Anregung stattfindet, liegt im ultravioletten Bereich bei etwa 160 Nanometern. Wo ganz genau, weiß allerdings bis dato keiner. Es gilt deshalb, den Bereich penibel abzusuchen, bis die richtige Wellenlänge gefunden ist. „Das ist wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen“, sagt Schumm. „Die Kunst besteht darin, den Laser auf das gesuchte Intervall hinzubiegen und dann durchzuprobieren.“ Leider kann man den benötigten Laser nicht einfach im Handel erwerben, man muss ihn selber bauen. Besondere Hoffnung setzt Schumm auf einen sogenannten Frequenzkamm. Dieses Gerät kann gleichzeitig eine große Anzahl von Frequenzen produzieren. Die Suche nach der Nadel im Heuhaufen ließe sich dadurch deutlich einschränken. Der deutsche Physiker Ted Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik erhielt für die Erfindung des Frequenzkamms 2005 den Nobelpreis.

Ausgangsmaterial ist Uran

Der zweite Schwerpunkt von Schumms Projekt gilt dem Thorium selbst. Das Isotop ist ein Zerfallsprodukt von Uran, das als waffenfähig eingestuft ist. „Uran ist nur wenigen Einrichtungen zugänglich“, so Schumm. „Das Atominstitut ist weltweit einer von wenigen Orten, an denen diese Forschung durchgeführt werden kann.“ Das Thorium muss in einer Darreichungsform vorliegen, in der man es bestrahlen kann. Dafür wird es mittels radiochemischer Methoden aus Uran extrahiert und gereinigt. In Pulverform soll das Thorium dann eingeschmolzen und in einen UV-transparenten Kristall aus Calciumfluorid eingebaut werden. Diesen Kristall muss man zuletzt noch polieren, bis er die gewünschten optischen Eigenschaften hat und dem Laserlicht ausgesetzt werden kann. Da zwei Kristalle wohl niemals exakt identisch sind, wird außerdem zu untersuchen sein, ob Eigenheiten der Bauweise, das Messergebnis beeinflussen.

Schutz vor Störfeldern

Für seine Forschung erhielt Schumm vergangenen Herbst den renommierten START-Preis vom Wissenschaftsfonds FWF. Diesen Sommer bekam er zusätzlich das europäische Pendant, den ERC Starting Grant des European Research Council (ERC). Das Preisgeld beträgt 1,3 Millionen Euro für fünf Jahre. Das Geld kann Schumm gut brauchen. Denn: „Experimentalphysik ist eine teure Angelegenheit“, sagt er. „Alleine das Lasersystem wird etwa eine halbe Million Euro kosten.“

Eine optisch angeregte Kernuhr hätte mehrere Vorteile gegenüber den herkömmlichen Cäsium-Atomuhren. Im Unterschied zu diesen müsste sie nicht aufwändig gegen elektromagnetische Störfelder abgeschirmt werden. Denn die Elektronenhülle des Thoriumatoms würde selbst als solcher Schirm fungieren. Auf Basis des neuen Prinzips könnten deshalb eines Tages robuste, mobile Atomuhren gebaut werden. Außerdem wäre die Genauigkeit der Thoriumuhr um etwa den Faktor 1000 besser als jene der gängigen Cäsiumuhren.

Als modernen Uhrmacher sieht sich Schumm nicht. „Der Bau einer Atomuhr ist eine schöne Anwendung der Forschung“, sagt er. „Was mich aber antreibt, ist es, die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse zu verstehen.“