Den Weg für die leistungsstarken Kernuhren der Zukunft ebnen
Von der Satellitennavigation bis hin zur synchronisierten Kommunikation – eine präzise Zeitmessung bildet das Rückgrat für einen Großteil der modernen Technologie. An der Spitze dieses Gebiets steht Thorium-229 (229Th), ein seltenes Isotop mit einem ungewöhnlich energiearmen Kernzustand, der durch Laserlicht bei einer Wellenlänge von etwa 148 Nanometern angeregt werden kann. Die Einbettung dieses Isotops in einen transparenten Kristall wie Kalziumfluorid könnte eines Tages zu kompakten Festkörper-Kernuhren mit außergewöhnlicher Genauigkeit führen. Doch noch gibt es ein entscheidendes Hindernis: Die umgebenden Atome im Kristall verändern die Kernenergieniveaus. Bisher gab es kaum Erkenntnisse dazu, wie genau diese Umgebung den Kernübergang beeinflusst. Die Forschung im Rahmen der EU-geförderten Projekte ThoriumNuclearClock(öffnet in neuem Fenster) und CC4DYN geht dieser Ungewissheit auf den Grund und liefert grundlegende Daten für die Entwicklung von Zeitmessgeräten der nächsten Generation.
Vier unterschiedliche Kristallplätze zutage fördern
Ein Forschungsteam aus Österreich, Japan und der Schweiz untersuchte in Kalziumfluoridkristalle eingebettetes 229Th. Mithilfe eines Vakuum-Ultraviolett-Lasers wurde eine Mössbauer-Laserspektroskopie durchgeführt, um eine Technik, die traditionell zur Untersuchung der physikalischen und chemischen Umgebung von Kernen eingesetzt wird, auf den optischen Bereich zu erweitern. Ein speziell angefertigter Detektor unterdrückte die Hintergrundstrahlung, sodass schwache Kernsignale mit hoher Präzision gemessen werden konnten. Die in Science veröffentlichten Ergebnisse(öffnet in neuem Fenster) zeigen, dass 229Th vier unterschiedliche mikroskopische Plätze innerhalb des Kristallgitters einnimmt, von denen jeder einer anderen lokalen elektrischen Feldumgebung ausgesetzt ist. Durch die Kombination von Spektroskopie mit Berechnungen nach der Dichtefunktionaltheorie ordnete das Team den beiden dominanten Positionen mikroskopische Modelle zu, die zusammen über 90 % des nachgewiesenen Vakuum-Ultraviolettsignals ausmachten. „Durch die Aufschlüsselung der Kernspektren nach einzelnen Positionen haben wir einen Weg gefunden, um zu ergründen, wie 229Th-Atome in einen Festkörper eingebaut werden und wie ihre unmittelbare Umgebung den Kernübergang beeinflusst“, erklärt der Hauptautor der Studie, Takahiro Hiraki, Assistenzprofessor an der Okayama-Universität in Japan, in einer Pressemitteilung(öffnet in neuem Fenster), die auf der Website der Universität veröffentlicht wurde. „Diese Erkenntnisse sind unerlässlich für das Verständnis und die Entwicklung der Kristallumgebungen, die für zukünftige Festkörper-Atomuhren benötigt werden.“
Kristalle für eine bessere Leistung entwickeln
Abgesehen von der Identifizierung der Kristallplätze nutzte das Team die stellenselektive Anregung, um zu vergleichen, wie sich der Kernzustand in den jeweiligen Umgebungen verhält. Die Strahlungslebensdauer des angeregten Zustands lag an allen Kristallplätzen nachweislich konstant bei etwa 630 Sekunden, doch die Effizienz, mit der Laserlicht diesen Zustand unterband, variierte stark zwischen den einzelnen Plätzen. Diese Variation ist deshalb von Bedeutung, da sie darüber entscheidet, wie gut ein Kristall die Kernanregung, welche die Uhr antreibt, aufrechterhalten kann. „Die starke Variation bei der Unterbindung zwischen den Kristallplätzen offenbart, dass die lokale Kristallumgebung nicht nur ein passiver Wirt ist“, bemerkt der leitende Autor Koji Yoshimura, Professor an der Okayama-Universität. „Die Identifizierung derjenigen Strukturen, die die Kernanregung aufrechterhalten und die deren Verlust begünstigen, wird uns bei der Ermittlung von Wegen zur Herstellung von Kristallen mit verbesserter Leistung behilflich sein.“ Die Studie, die durch die Projekte ThoriumNuclearClock (Thorium nuclear clocks for fundamental tests of physics) und CC4DYN (A quantum chemical approach to dynamic properties of real materials) unterstützt wurde, etabliert die Mössbauer-Laserspektroskopie als zuverlässige Methode zur Aufdeckung der mikroskopischen Umgebungen von Thorium in Festkörpern. Hierdurch liefert sie die Grundlagenarbeit für den Bau kompakter Uhren, welche die Navigation, die synchronisierte Kommunikation und neue Formen der Präzisionsmessung voranbringen könnten. Weitere Informationen: Website des ThoriumNuclearClock-Projekts(öffnet in neuem Fenster) Projekt CC4DYN
