Stand: 8. Oktober 2026.
Die genauesten Uhren der Welt messen Zeit nicht mit Pendeln oder Quarzen, sondern mit Quantensprüngen in Atomen. Nun rückt eine noch ungewöhnlichere Variante näher an den praktischen Betrieb: eine Uhr, deren Taktgeber im Atomkern sitzt. Zwei am 7. Oktober in Nature veröffentlichte Arbeiten berichten über Kernuhren mit Thorium-229.
Was eine Atomuhr eigentlich zählt
Eine Uhr braucht einen möglichst stabilen periodischen Vorgang. In optischen Atomuhren werden Elektronen mit Laserlicht zwischen exakt definierten Energieniveaus angeregt. Die Frequenz des dafür passenden Lichts dient als Referenz. Weil die Natur diese Übergänge für identische Atome reproduzierbar vorgibt, können solche Uhren extrem genau sein.
Bei einer Kernuhr findet der relevante Übergang nicht in der Elektronenhülle, sondern im Atomkern statt. Thorium-229 ist dafür besonders geeignet, weil es einen ungewöhnlich niedrig liegenden angeregten Kernzustand besitzt. Er kann prinzipiell mit ultraviolettem Laserlicht direkt angesprochen werden.
Warum der Kern interessant ist
Atomkerne sind viel kleiner als Elektronenhüllen. Viele äußere Störungen, etwa elektrische Felder, wirken deshalb anders oder schwächer auf den Kernübergang. Eine Kernuhr könnte dadurch eine sehr stabile Referenz liefern. Das bedeutet nicht automatisch, dass sie jede heutige Atomuhr sofort übertrifft; experimentell müssen Laser, Materialumgebung und Auslese ebenfalls extrem präzise kontrolliert werden.
Eine der neuen Arbeiten stabilisiert einen kontinuierlichen Laser auf die etwa 148 Nanometer kurze Wellenlänge des Thorium-229-Kernübergangs und verwendet eine schnelle Rückkopplung. Eine zweite Arbeit demonstriert Thorium in einem Calciumfluorid-Kristall als reproduzierbare Festkörperplattform.
Warum ein Kristall spannend ist
Bei klassischen Präzisionsuhren werden einzelne Atome oder Ionen aufwendig gekühlt und in Fallen gehalten. Thoriumkerne lassen sich dagegen in einen Festkörper einbetten. Dadurch könnten sehr viele Kerne gleichzeitig als Referenz dienen und kompaktere Geräte möglich werden.
Der Preis dafür ist die Umgebung: Ein Kristall ist kein perfektes Vakuum. Lokale Felder, Defekte und Temperaturänderungen können die Messung beeinflussen. Genau deshalb ist die Demonstration einer stabilen und reproduzierbaren Plattform wichtig.
Mehr als bessere Uhren
Präzise Uhren sind Sensoren für Physik. Nach Einsteins Relativitätstheorie läuft Zeit in unterschiedlichen Gravitationspotentialen verschieden schnell. Moderne Atomuhren können deshalb winzige Höhenunterschiede messen. Noch empfindlichere Referenzen könnten Geodäsie und Navigation verbessern.
Besonders interessant ist die Suche nach Veränderungen fundamentaler Naturkonstanten oder nach bislang unbekannter Physik. Weil Kern- und Elektronenübergänge unterschiedlich auf mögliche Änderungen reagieren, kann ihr Vergleich sehr empfindliche Tests ermöglichen.
Was noch fehlt
Die Formulierung ‚Kernuhr funktioniert‘ darf nicht mit ‚fertiges Produkt‘ verwechselt werden. Die Forschung muss Langzeitstabilität, systematische Fehler, reproduzierbare Kristalle und robuste Laserquellen weiter verbessern. Auch ein klarer praktischer Vorteil gegenüber den besten optischen Atomuhren muss experimentell gezeigt werden.
Trotzdem ist der Schritt bemerkenswert. Jahrzehntelang war die Thorium-Kernuhr vor allem eine elegante Idee. Mit direkt adressierbaren Kernübergängen, Rückkopplung und Festkörperplattform wird daraus zunehmend ein reales Messinstrument.
Quellen
- Nature: A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop
- Nature: A nuclear clock synchronized to 229Th
- Nature 658, Issue 8135
Redaktioneller Hinweis: Wissenschaftsstand: 08.10.2026. Der Artikel beschreibt zwei am 07.10.2026 veröffentlichte Arbeiten; praktische Überlegenheit gegenüber etablierten optischen Atomuhren ist noch Gegenstand der Forschung.