The two closed-loop thorium nuclear-clock demonstrations remain intact; later work strengthens candidate platforms but has not yet produced a trapped-ion nuclear clock or a thorium system matching the newest atomic-clock accuracy benchmark.
Atomuhren enteilen der Thorium-Konkurrenz
Bei Kernuhren erzielt die Forschung wichtige Fortschritte, doch herkömmliche Atomuhren setzen die Messlatte noch schneller herauf.
Das Wesentliche
In der weltweiten Forschung läuft der Wettlauf um die erste hochpräzise Kernuhr auf Thorium-229-Basis, doch herkömmliche Atomuhren setzen den Maßstab für Genauigkeit derweil drastisch herauf. Zwar gelingt es Wissenschaftlern zunehmend, den Thoriumkern in Festkörpern und Ionenfallen vor Störungen abzuschirmen, während passende Laser das benötigte ultraviolette Licht liefern. Doch angesichts moderner Atomuhren, die bereits bis auf wenige Zehntrilliardstel übereinstimmen, müssen nukleare Zeitmesser erhebliche Hürden überwinden, um an die Weltspitze vorzustoßen.
Die Kernpunkte
- Ein Kristallgitterplatz für Thorium wies einen elektrischen Feldgradienten von unter 0,1 Volt pro Quadratangström auf.
- Laserwerkzeuge im extremen Ultraviolett erreichten 149 Nanometer und nähern sich damit der Thorium-Kernresonanz bei 148,4 Nanometern an.
- Forscher in Singapur betrieben zwei unabhängige Lutetium-Uhren mit einer relativen Unsicherheit von rund 1×10^-19.
- Die beiden Lutetium-Referenzen zeigten eine statistische Übereinstimmung von 5,7×10^-19.
Aus dem Tagebuch des Redakteurs
Technologische Durchbrüche messen sich selten an einem statischen Ziel. Wer einen etablierten Industriestandard ablösen will, muss nicht nur funktionieren, sondern sich schneller weiterentwickeln als die herrschende Technologie.
Wer beteiligt ist
TU Wien und Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Österreichische Universität und deutsche Metrologiebehörde zur Erforschung von Laserwechselwirkungen mit Thorium-229
will → Thoriumkerne in Festkörperkristallen abschirmen, um kernphysikalische Übergänge als Zeitstandard zu nutzen
Ionen-Uhren-Team der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
Forschende am nationalen deutschen Metrologieinstitut mit Schwerpunkt auf isolierten Thorium-Ionen
will → eine Ionenfallen-Uhr entwickeln, um Störeinflüsse aus umgebenden Kristallgittern zu vermeiden
VUV-Spektroskopieteam der University of Arizona
US-Forschungsgruppe für Präzisionslaser im Vakuum-Ultraviolett
will → Frequenzkamm-Messungen auf jene Wellenlängen ausweiten, die für Kernübergänge erforderlich sind
Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore
Quantenforschungszentrum in Singapur mit zwei unabhängigen Lutetium-Atomzeitnormalen
will → die Genauigkeit herkömmlicher Atomuhren in neue Grenzbereiche treiben
Kurz gefasst
Kernuhren versprechen extreme Präzision und neue Einblicke in Naturgesetze sowie Navigationssysteme, doch die etablierten Zeitmesser sind ihnen nun noch weiter enteilt. Als nächster Prüfstein gilt der Praxistest einer isolierten Thorium-Ionenuhr in einer Vakuumkammer. Ob diese Systeme jemals die besten klassischen Atomuhren übertreffen können, bleibt vorerst offen: Bislang gelang es Forschern nicht, einen solchen Aufbau in einem vollständigen Regelkreis dauerhaft zu betreiben oder dessen reale Ganggenauigkeit direkt mit den Spitzenreitern der Zeitmessung zu vergleichen.
Für den Einsatz von Thorium-229, dessen Atomkern sich gezielt mit Laserlicht anregen lässt, stehen zwei Wege offen: Die Einbettung in einen transparenten Kristall oder das Festhalten als isolierte Ionen im Hochvakuum. Mitte September vermeldeten Forschungsteams aus Deutschland und Österreich Fortschritte auf beiden Pfaden. Im Kristallgitter von Calciumfluorid identifizierten sie eine störungsarme Umgebung, die den Kern vor elektrischen Einflüssen schützt, während ihnen bei geladenen Thorium-Ionen die Isolation eines elektronischen Zustands gelang, der störende Effekte der eigenen Elektronenhülle dämpfen kann.
Während die Kernuhr-Forschung wichtige Teilerfolge feiert, zieht die Konkurrenz das Tempo an. US-Forscher demonstrierten Präzisionslaser nahe der von Thorium benötigten Ultraviolett-Wellenlänge. Wenige Tage später meldete eine Gruppe aus Singapur zwei herkömmliche Lutetium-Atomuhren, deren Ganggenauigkeit bis auf einen Fehler von rund einem Zehntrilliardstel übereinstimmte. Für nukleare Zeitmesser bedeutet dieser Rekordwert: Sie machen zwar stetig Boden gut, doch der technologische Standard bewegt sich mindestens genauso schnell von ihnen weg.
Die Vorgeschichte
Physiker bauen erste funktionierende Kernuhren
26. September 2026Zwei unabhängige Forschungsteams betreiben Prototypen über einen vollen Tag im Dauerbetrieb und ebnen den Weg für robustere Präzisionszeitmesser.Physiker regen Thorium-Atomkern gezielt mit Laser an
4. September 2024Die direkte Steuerung eines Atomkerns ebnet den Weg für extrem widerstandsfähige Kernuhren.
Wie es sich entwickelte
Deutsche Physiker schlagen erste nukleare Laseruhr vor
Die deutschen Forscher Ekkehard Peik und Christian Tamm legten das Fundament für Kernuhren mit dem Vorschlag, den empfindlichen Kern von Thorium-229 gezielt mit Laserlicht anzuregen und als isoliertes Ion in einer Falle als Zeitnormal einzusetzen. Diese Pionierarbeit löste ein weltweites wissenschaftliches Rennen um den Bau der ersten Kernuhr aus.
Labore melden Fortschritte, während Atomuhren den Vorsprung ausbauen
Nachdem Labortests im Juni erstmals nachwiesen, dass ein Thorium-Kern als Taktgeber taugt, konzentrierten sich die Institute darauf, den Atomkern gegen elektromagnetische Störfelder abzuschirmen. Am 16. September veröffentlichte ein deutsch-österreichisches Team Messungen an Calciumfluorid-Kristallen, die eine symmetrische Gitterposition mit einem elektrischen Feldgradienten von unter 0,1 Volt pro Quadratangström belegen. Tags darauf beschrieb die Physikalisch-Technische Bundesanstalt einen isolierten elektronischen Zustand in zweifach geladenen Thorium-Ionen, der feldinduzierte Verschiebungen durch die äußere Elektronenhülle neutralisieren kann. Am 21. September demonstrierte eine US-Arbeitsgruppe Frequenzkämme im Vakuum-Ultraviolett bei 149 Nanometern, unmittelbar neben der Thorium-Resonanz von 148,4 Nanometern. Am 23. September stellten Forscher aus Singapur schließlich zwei Lutetium-Uhren vor, deren Messwerte bis auf Bruchteile eines Trilliardstels übereinstimmten – und legten die Latte für künftige Kernuhren damit noch höher.
Wo die Dinge stehen
Kernzeitmesser haben den Schritt von der reinen Theorie zu ersten funktionstüchtigen Laboraufbauten vollzogen, doch die jüngsten Publikationen markieren vor allem ingenieurtechnische Zwischenetappen und noch keinen sprunghaften Genauigkeitsgewinn. Die Forschung verfügt nun über funktionierende Methoden, um den Thoriumkern sowohl in Kristallen als auch in Ionenfallen vor Umgebungseinflüssen zu schützen.
Unbeantwortet bleibt indes die Kernfrage, ob ein Thoriumsystem die etablierte Konkurrenz tatsächlich schlagen kann. Bislang lief keine Thorium-Ionenuhr in einer stabilen Regelschleife über längere Zeit, und kein nuklearer Aufbau erreichte die extreme Präzision der Lutetium-Referenzen aus Singapur. Erst ein direkter Leistungsvergleich zwischen einer voll einsatzfähigen Kernuhr und den führenden optischen Atomuhren wird zeigen, wer das Rennen um die präziseste Zeitmessung der Welt gewinnt.