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Zeit ist Geld: Neue Atomuhr dank ERC-Mitteln

EU-finanzierte Wissenschaftler arbeiten intensiv an der Entwicklung einer nuklearen Atomuhr, die die Genauigkeit herkömmlicher Atomuhren um ein Vielfaches übertreffen soll. Die Forschungsarbeit von Dr. Thorsten Schumm vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien wi...

EU-finanzierte Wissenschaftler arbeiten intensiv an der Entwicklung einer nuklearen Atomuhr, die die Genauigkeit herkömmlicher Atomuhren um ein Vielfaches übertreffen soll. Die Forschungsarbeit von Dr. Thorsten Schumm vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien wird für die nächsten 5 Jahre mit einem Starting Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC) in Höhe von 1,3 Mio. EUR gesichert. Dem ERC Starting Grant vorausgehend hatte Dr. Schumm Ende 2009 bereits den START-Preis des Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) erhalten. Die Physiker am Atominstitut konzentrieren sich bei ihrer Arbeit auf das Radioisotop 229-Thorium. Atome bestehen aus einem Kern und einer diesen umgebenden Elektronenhülle. In den meisten Atomen unterscheidet sich der Energieaufwand, der benötigt wird, um Veränderungen (z.B. Anregungszustände) in Kern und Elektronenhülle zu bewirken, um mehrere Größenordnungen. Infolgedessen werden zur Untersuchung der verschiedenen Komponenten des Atoms verschiedene Messverfahren verwendet: Atomphysiker untersuchen mit Laserspektroskopie die Elektronenhülle, Nuklearphysiker wiederum setzen Teilchenbeschleuniger für Analysen des Atomkerns ein. Thorium 229 besitzt einen Anregungszustand des Atomkernes bei außergewöhnlich niedriger Energie. "Daher könnte es gelingen, den Atomkern mittels Laserstrahl in einen angeregten Zustand zu versetzen!", schreiben die Forscher auf der Webseite ihres Projekts. "Ziel des Projekts ist es, diesen 'optischen' Kernübergang nachzuweisen und direkt für Anwendungen und grundlegende physikalische Untersuchungen nutzbar zu machen." Das Team um Dr. Schumm hofft nun, den ungewöhnlichen Kernübergang von Thorium 229 für den Bau einer neuen atomaren Uhr einsetzen zu können. Unsere "Sekunde" ist derzeit definiert als 9.192.631.770 Schwingungen einer Lichtwelle, die zu einer spezifischen Anregung der Elektronenhülle des Cäsium-Atoms führt, sodass die Atome in so genannten "Atomuhren" als Taktgeber für genaueste Zeitmessungen eingesetzt werden können. Anregungen der Elektronenhülle sind jedoch sehr empfindlich auf magnetische und elektrische Felder, sodass aufwändige Abschirmungen nötig sind. Zusätzlich müssen die Messungen im ballistischen (freien) Fall durchgeführt werden, eine weitere Verbesserung des konventionellen Atomuhr-Konzeptes benötigt daher satellitengestützte Aufbauten. Eine nukleare Atomuhr, die Thorium 229 verwendet, hätte diese Probleme nicht. "Thorium-Ionen lassen sich in UV-transparente Kristalle einbetten", erklären die Forscher. "So ließe sich das komplexe und aufwändige Vakuumsystem derzeitiger Atomuhren durch einen einzigen Kristall auf Raumtemperatur ersetzen, der mit Thorium 229-Atomen dotiert ist." Ist Dr. Schumms Team erfolgreich, könnte die Genauigkeit unseres Zeitstandards um viele Größenordnungen erhöht werden. Nachdem Dr. Schumm sein Forscherteam zusammengestellt hat, wird am Atominstitut nun ein spezielles neues Labor exakt für dieses Projekt gebaut. Es soll einerseits höchsten Ansprüchen für Laserbetrieb gerecht werden (extreme Temperaturstabilität, vibrationsarm), andererseits eine Strahlenschutzfreigabe mit entsprechenden Einrichtungen besitzen. Die Umbauten sollen Oktober 2010 fertig gestellt sein. Den Forschern zufolge ist das Atominstitut eines der wenigen Forschungseinrichtungen, in denen Nuklear- und Teilchenphysik mit Präzisionslaserspektroskopie kombiniert werden können. "Diese Umgebung ist wirklich einzigartig und demonstriert das Engagement der TU Wien für dieses Projekt", so Dr. Schumm.

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