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Towards a nuclear clock with Thorium-229

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Es wird Zeit für die beste Uhr der Welt

Im Verlauf der Geschichte strebte die Menschheit stets nach genaueren Methoden, um die Zeit zu messen. Eine von diesem Streben inspirierte Initiative der EU hat eine wissenschaftliche Uhr hergestellt, die wesentlich genauer ist, als die besten Uhren der weltweit führenden Labors.

DIGITALE WIRTSCHAFT

© K. Beeks

Die besten Atomuhren unserer Zeit gehen auf 30 Milliarden Jahre gesehen nur 1 Sekunde falsch und sind somit die genauesten Messinstrumente, die jemals gebaut wurden. Atomuhren auf Navigationssatelliten versorgen uns mit den Signalen der globalen Positionierungssysteme, die wir täglich nutzen. Äußerst genaue Atomuhren sind allerdings extrem empfindlich und können nur in spezialisierten Labors betrieben werden.

Eine möglichst genaue Messung der Zeit

„Um die Positionierungsgenauigkeit weiter auf den Zentimeterbereich zu verbessern, benötigen wir Uhren, die noch genauer aber gleichzeitig kompakt und strapazierfähig genug sind, damit sie für den Feldeinsatz geeignet sind“, so Prof. Thorsten Schumm, der Koordinator des EU-finanzierten Projekts nuClock. Die Forscher haben einen konzeptionell neuen Ansatz vorgeschlagen, der häufig in Atomuhren verwendete elektronische Übergänge durch einen äußerst besonderen nuklearen Übergang in einem Atom namens Thorium-229 ersetzt. Statt den Elektronen eines Atoms verwendeten sie den Atomkern von Thorium-229, um die Genauigkeit zu verbessern. „Diese Kernuhr hat das Potenzial, die Genauigkeit bestehender Atomuhren zu übertreffen, ist aber gleichzeitig von Natur aus widerstandsfähiger gegen Störungen.“ Eine wesentliche Motivation hinter dem Konzept einer Kernuhr war, dass diese letztendlich in einer Halbleiterversion realisiert werden könnte. Dies geht mit erheblichen Vorteilen wie Robustheit, einer verbesserten Umweltbilanz und der Eignung für die Massenproduktion einher. Das nuClock-Team zeigte, dass die Übergangsenergie der Kernuhr tatsächlich mit einem solchen Ansatz kompatibel ist. Die Projektpartner bewiesen, dass die Kernuhr möglich und in Reichweite ist. Insbesondere bestimmten sie die Energie des Thorium-229-Übergangs, der für die Uhr verwendet wird sowie eine breite Palette anderer vorher unbekannter nuklearer Parameter. Sie entwickelten ebenfalls das notwendige Lasersystem im Vakuumultraviolettbereich. Dank nuClock sind diese Innovationen jetzt kommerziell verfügbar.

Es wird höchste Zeit, dass Kernuhren bestehende Atomuhren übertreffen

Vor nuClock, „gab es in diesem Bereich keine koordinierten Bemühungen dieser Art. Forscherteams arbeiteten alleine und es gab keine wirkliche Gemeinschaft“, erklärt Prof. Schumm. Das Projekt profitierte von den Verfahren und der Infrastruktur der Partner, darunter der Zugang zu groß angelegten Forschungseinrichtungen, weitweit führenden Detektoren, die noch nie in einem solchen Kontext verwendet wurden, sowie Laserentwicklung nach Industriestandard. Das entscheidende Material der Kernuhr, Thorium-229, ist äußerst selten; auf der ganzen Erde gibt es nur wenige Milligramm. Daher war eine enge Zusammenarbeit notwendig, um die Beschaffung und Verarbeitung des Materials zu koordinieren und gemeinsam durchzuführen. Diese Bemühungen führten letztendlich zu geringeren Kosten. „Die Kernuhr als kommerzielles Produkt wird wohl erst in einigen Jahren zur Realität, aber wenn wir an autonome Fahrzeuge oder Güterzüge denken, reden wir von der zentimetergenauen oder noch genaueren Objektpositionierung auf der Erde“, fügt er hinzu. „Ganz allgemein wird ein erheblich verbessertes Positionierungssystem viele Anwendungen finden.“ „nuClock hat Europa als den führenden Akteur im Bereich der Kernuhren etabliert“, schließt Prof. Schumm. „Unsere Aufgabe ist nun, zu garantieren, dass das so bleibt und dass wir unseren Wettbewerbern weiterhin einen Schritt voraus sind.“

Schlüsselbegriffe

nuClock, Uhr, Kernuhr, Zeit, Atomuhr, Thorium-229, Positionierungssystem

Projektinformationen

ID Finanzhilfevereinbarung: 664732

Status

Abgeschlossenes Projekt

  • Startdatum

    1 Juni 2015

  • Enddatum

    31 Mai 2019

Finanziert unter:

H2020-EU.1.2.1.

  • Gesamtbudget:

    € 3 970 327,50

  • EU-Beitrag

    € 3 970 327,50

Koordiniert durch:

TECHNISCHE UNIVERSITAET WIEN