Wissenschaftler in Wien und Peking haben die weltweit ersten funktionierenden Atomkernuhren entwickelt. Die am 7. Oktober 2026 in der Fachzeitschrift Nature publizierten Durchbrüche nutzen Thorium-229-Atomkerne in Kristallen als Taktgeber und versprechen extreme Präzision für Navigation, Kommunikation und die grundlegende Physik.
Zwei Durchbrüche in Wien und Peking
Zwei Forschungsteams haben weltweit die ersten funktionierenden Atomkernuhren gebaut und damit einen jahrzehntelangen wissenschaftlichen Traum verwirklicht. Die Arbeiten, die parallel in Wien und Peking stattfanden, wurden am 7. Oktober in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Während das Team um den Physiker Thorsten Schumm an der TU Wien arbeitete, forschte eine Gruppe an der Tsinghua-Universität in China unter der Leitung von Shiqian Ding. Beide Gruppen setzten auf unterschiedliche experimentelle Ansätze, was laut Ding zeigt, dass das Konzept robust ist und nicht von einer einzigen technischen Umsetzung abhängt.
Die Grundlagen dafür legten die Wiener Forscher gemeinsam mit weiteren Beteiligten, nachdem Thorsten Schumm im Jahr 2009 unterstützt durch einen START-Preis des Wissenschaftsfonds (FWF) ernsthaft mit der Suche nach der exakten Laserfrequenz zum Umschalten der Kerne des Thorium-Isotops 229 begann. Nach zahlreichen Etappen und vielbeachteten Publikationen zeigt sich die erste Atomkernuhr im Oktober 2026 nun als relativ kompakter Aufbau in einem kleinen Labor direkt neben Österreichs einzigem Forschungs-Atomreaktor auf dem Areal der Technischen Universität in Wien-Leopoldstadt. Bereits vor zwei Jahren wurden Stimmen laut, die Schumm und den an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig in Deutschland tätigen Ekkehard Peik in den Kreis möglicher Nobelpreisträger hievten. Die Pekinger Gruppe wandte ein ähnliches Prinzip an, profitierte jedoch von einem noch stärkeren Laser, während die Wiener Apparatur auf hochwertigere Kristalle setzt.
Der Thorium-229-Taktgeber in Kristallen
Der Begriff Kernuhr leitet sich nicht von Kernkraft oder Kernspaltung ab. Stattdessen wird die Zeit über die Wechselwirkung eines leistungsstarken Lasers mit dem Atomkern bestimmt. Eingesetzt werden in diesen neuen Geräten vielmehr Thorium-229-Kerne, also eine spezielle Variante des Elements Thorium, welche fest in Calciumfluoridkristallen eingebettet sind. Physiker hatten bereits seit Jahrzehnten vermutet, dass Thorium-Atomkerne eine ganz besondere Eigenschaft besitzen, die sie zum optimalen Werkzeug für extrem präzise Messungen prädestiniert: Sie verfügen über zwei unterschiedliche Energiezustände mit Werten, die extrem eng beieinander liegen.
Da ein Atomkern deutlich kleiner ist als die ihn umgebende Elektronenhülle, reagiert er auf Übergänge im Inneren möglicherweise mit noch höheren Genauigkeitsstufen. Das Herzstück der Atomkernuhr an der TU Wien ist ein Kristall mit Thoriumatomen, der dort hergestellt wurde. Dieser Kristall wird mit einem Laser angestrahlt, wobei der Laser den Energiezustand der Thoriumkerne verändert und die Thoriumkerne verwendet werden, um die Frequenz des Lasers zu stabilisieren.
Die Schwingung dieses Laserlichts kann man verwenden, um Zeitmessungen durchzuführen, aber die Laserfrequenz kann sich immer wieder ein kleines bisschen ändern, ändern, zum Beispiel durch Temperaturschwankungen.
Thorsten Schumm, Atominstitut der TU Wien
Erste Testläufe und Vergleiche
In einem 24-stündigen Testlauf zeigte sich, dass dieses System über diesen Zeitraum hinweg ohne Eingriff stabil bleibt. Der Vergleich mit weiteren Systemen zeigt, dass die Wiener Atomkernuhr funktioniert.
Zum Vergleich: Die präziseste Atomuhr kommt aktuell auf eine Sekunde Abweichung alle 55 Milliarden Jahre. Dennoch sehen die Forscher erhebliches Steigerungspotenzial. Der große Vorteil der neuen Atomkernuhr in Wien ist laut Schumm, dass sich im Prinzip eine viel höhere Präzision erreichen lässt, wenn man nicht Atome, sondern Atomkerne verwendet, auch wenn die Technologie derzeit noch weit von ihrer Zielgenauigkeit entfernt ist.
Navigation und Dunkle Materie
Die neue Technologie verspricht weitreichende praktische Anwendungen. Thorsten Schumm visionierte uses für Kernuhren in Bereichen wie satellite-based navigation, synchronization of data transfer, surveying and metrology, was die Studie der Messung und ihrer praktischen Anwendungen umfasst. Es braucht mehr Geld und mehr Leute, während Schumm betont, dass er in den nächsten fünf bis zehn Jahren auf jeden Fall mitmischen möchte.
Zudem eröffnet das System neue Wege in der Grundlagenphysik. Um nach Dunkler Materie zu fahnden – einer essenziellen Komponente des Universums, die sich bislang jeder direkten Entdeckung entzogen hat –, setzte das Wiener Team seine Uhr erfolgreich in einem hochpräzisen physikalischen Experiment ein. Schumm betonte, dass dies den Zugang zu einem völlig neuen physikalischen Universum eröffnet.
