Eine Uhr ist nur so gut wie ihr Taktgeber. Bei den genauesten Uhren der Welt ist das ein Laser, dessen Frequenz ständig an einem Atom überprüft und nachgestellt wird. Am Atominstitut der TU Wien übernimmt diese Aufgabe nun erstmals ein Atomkern: Eine Atomkernuhr auf Basis von Thorium-229 hält ihren Laser über eine Rückkopplung selbst auf Kurs. Das Team um Thorsten Schumm hat die Arbeit am 7. Oktober 2026 im Fachjournal „Nature“ veröffentlicht, die TU Wien spricht von der „weltweit ersten Atomkernuhr, die sich selbst stabilisiert“. Am selben Tag erschien in „Nature“ allerdings auch die Arbeit einer Gruppe aus Peking, die dasselbe Ziel auf anderem Weg erreicht hat.

Was „selbststabilisierend“ bedeutet

Das Prinzip stammt von der optischen Atomuhr. Ein Laser schwingt mit einer sehr hohen Frequenz, und diese Schwingungen werden gezählt wie die Pendelschläge einer Standuhr. Weil jeder Laser ein wenig driftet, etwa durch Temperaturschwankungen, braucht er eine Referenz. In einer Atomuhr ist das ein Übergang zwischen zwei Energiezuständen in der Elektronenhülle eines Atoms: Nur bei exakt passender Frequenz nimmt das Atom das Licht auf. Weicht der Laser ab, merkt man es und regelt nach.

Genau dieser Regelkreis fehlte den bisherigen Thorium-Experimenten. Dort wurde der Laser von einer herkömmlichen Atomuhr stabilisiert und der Kern damit lediglich vermessen. Die Autoren schreiben in „Nature“, es sei bislang nicht gelungen, ein System zu bauen, in dem der Laser, der die Thoriumkerne abfragt, vom Kernübergang selbst gesteuert wird. Das ist nun der Fall. Schumm fasst die Idee in der Mitteilung der TU Wien so zusammen: „Man hat einen Laser und man hat Thorium. Der Laser verändert den Energiezustand der Thoriumkerne, und die Thoriumkerne werden verwendet, um die Frequenz des Lasers zu stabilisieren.“

Ein Kristall bei Zimmertemperatur

Thorium-229 ist ein Sonderfall der Kernphysik. Sein Kern besitzt einen angeregten Zustand, der nur 8,4 Elektronenvolt über dem Grundzustand liegt. Bei anderen Kernen sind die Abstände so viel größer, dass kein Laser sie erreicht. Für Thorium genügt Licht im Vakuum-Ultraviolett mit 148 Nanometern Wellenlänge, das entspricht einer Frequenz von rund 2020 Terahertz.

Die Thoriumkerne schweben in Wien nicht in einer Ionenfalle, sondern sitzen fest in einem Kalziumfluorid-Kristall von 3,1 Millimetern Durchmesser, der an der TU Wien gezüchtet wurde. Er arbeitet ohne Kühlung bei Raumtemperatur. Im Strahlengang liegen laut dem Fachartikel etwa zehn Billiarden (10¹⁶) Kerne.

Gemessen wird nicht ein Nachleuchten der Kerne, sondern die Absorption: Hinter dem Kristall zählt ein Photomultiplier, wie viel Licht noch ankommt. Auf der Resonanz schlucken die Kerne 0,75 Prozent davon. Die Elektronik lässt die Laserfrequenz zwischen zwei Punkten links und rechts der Absorptionslinie hin- und herspringen und vergleicht die Signale. Sind sie ungleich, sitzt der Laser nicht mehr mittig und wird in einem Schritt zurückgestellt. Je nach Betriebsart geschieht das alle 20 Sekunden oder alle 30 Minuten. Dazwischen hält ein optischer Resonator den Laser kurzzeitig stabil.

Beachtlich ist, mit wie wenig Licht das funktioniert: Am Detektor kommen 65 Pikowatt an. Erzeugt wird das UV-Licht aus einem Infrarotlaser bei 1187 Nanometern, dessen Frequenz in mehreren Stufen verachtfacht wird.

Gebäude des Atominstituts der TU Wien im Wiener Prater, heller Flachbau mit Fensterbändern

Am Atominstitut der TU Wien im Prater steht die Kernuhr. Bild: Gugerell / Wikimedia Commons, CC0 (Ausschnitt)

Wie genau die Kernuhr tickt – und wo es noch hakt

Um die Uhr zu beurteilen, verglichen die Forscher sie fortlaufend mit einer Ytterbium-Einzelionenuhr des Bundesamts für Eich- und Vermessungswesen (BEV) in Wien, mit dem das Labor über eine Glasfaserstrecke verbunden ist. Die Atomuhr diente dabei nur als Messlatte, nicht als Stütze. Das Ergebnis: Die Kernuhr lief einen Tag lang ohne Eingriff, die ausgewertete Messung dauerte rund 23 Stunden. Ihre relative Frequenzinstabilität beträgt 3 × 10⁻¹² geteilt durch die Wurzel der Mittelungszeit in Sekunden und nähert sich nach einem Tag dem Wert 10⁻¹⁵.

Die TU Wien übersetzt das in einen Fehler von ungefähr einer Sekunde in 30 Millionen Jahren. Das ist eine Umrechnung der eintägigen Messung, keine Aussage über einen jahrelangen Betrieb. Zum Vergleich: Die besten optischen Atomuhren sind noch um Größenordnungen besser. „Das ist noch nicht auf dem Niveau der weltbesten optischen Atomuhren, für einen ersten Prototyp ist es aber ein fantastisches Ergebnis“, sagt Schumm.

Der Fachartikel benennt die Schwächen deutlicher als die Pressemitteilung. Zwischen Messläufen an verschiedenen Tagen stimmte die Frequenz nur auf etwa 5 × 10⁻¹³ überein – deutlich schlechter als innerhalb eines Laufs. Der Grund: Vor jedem Lauf muss das Lasersystem neu justiert werden, und der 0,5 Millimeter dicke Strahl trifft den Kristall dann an einer etwas anderen Stelle. An vier Positionen im Kristall fanden die Forscher Linienmitten, die um bis zu 1,7 Kilohertz auseinanderlagen. Sie vermuten lokale Verspannungen im Kristall als Ursache. Die Absorptionslinie selbst ist mit rund 100 Kilohertz zudem noch sehr breit.

Für die nächsten Schritte nennt das Team mehr Laserleistung, längere Kristalle und andere Wirtsmaterialien wie Thoriumfluorid, in denen Thorium regulärer Bestandteil des Kristallgitters ist. Damit halten die Autoren eine Instabilität um 10⁻¹⁶ bei einer Sekunde Mittelungszeit für erreichbar, also das Niveau heutiger optischer Atomuhren. Das sind Hochrechnungen, keine Messwerte.

Warum überhaupt Atomkerne?

Ein Atomkern ist über zehntausendmal kleiner als das Atom und reagiert viel schwächer auf elektrische und magnetische Störfelder aus der Umgebung. Deshalb kann man ihn überhaupt in einen Festkörper einbauen, ohne dass der Takt unbrauchbar wird – eine Uhr im Kristall statt in einer aufwendigen Atomfalle.

Dazu kommt ein zweiter Reiz, der Physiker mindestens ebenso interessiert. Die niedrige Energie des Thorium-Übergangs entsteht, weil sich im Kern zwei riesige Beiträge – elektromagnetische Abstoßung und starke Kernkraft – fast vollständig aufheben. Würden sich Naturkonstanten auch nur minimal ändern, verschöbe sich die Frequenz daher besonders stark. Die Wiener Gruppe hat ihre 23 Stunden Messdaten bereits nach solchen Schwankungen durchsucht, wie sie bestimmte Modelle ultraleichter Dunkler Materie vorhersagen. Gefunden hat sie nichts, kann aber neue Grenzen angeben: Bei der Kopplung an die starke Kraft und an Quarks reichen sie laut dem Artikel um den Faktor 10 bis 1000 weiter als frühere Messungen mit Atomuhren.

Vom ersten Laserblitz zur Uhr in gut zwei Jahren

Dass es diesen Kernübergang gibt, wurde jahrzehntelang vermutet; die Idee einer Kernuhr formulierten Ekkehard Peik und Christian Tamm von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) im Jahr 2003. Im April 2024 gelang es den Gruppen von Schumm und Peik erstmals, Thoriumkerne gezielt mit einem Laser anzuregen. Im Herbst 2024 folgte laut TU Wien die Kopplung mit einer optischen Atomuhr, bei der die Thoriumkerne bereits als Taktgeber dienten – der Laser hing aber noch an der Atomuhr. 2025 kamen Dauerstrichlaser bei 148 Nanometern hinzu, die erst die Absorptionsmessung und damit die schnelle Rückkopplung ermöglichten.

An der Arbeit beteiligt waren neben TU Wien und BEV auch die PTB in Braunschweig, die Leibniz Universität Hannover, das Max-Born-Institut in Berlin und das Institut für wissenschaftliche Instrumente in Brünn. Die zweite Kernuhr, die am 7. Oktober 2026 in „Nature“ vorgestellt wurde, stammt von der Tsinghua-Universität und der Beijing Academy of Quantum Information Sciences. Beide Gruppen hätten unabhängig voneinander und mit unterschiedlichen Ansätzen gearbeitet, zitiert die American Nuclear Society den Pekinger Physiker Shiqian Ding.

Für den Alltag ändert sich vorerst nichts. Die Sekunde bleibt über Cäsium-Atomuhren definiert, und die Wiener Kernuhr ist ein Laboraufbau, der vor jedem Lauf von Hand justiert werden muss. Sie zeigt aber, dass der Regelkreis funktioniert – und das war der Schritt, der zur Uhr noch gefehlt hat.

Quellen

Bildnachweis