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18.04.2018 | Auf dem Weg zur optischen Kernuhr

Schwingungen im Atomkern von Thorium-229 sollen als Taktgeber für künftige Atomkernuhr dienen

Foto: PTB

Versuchsaufbau

Bild: C. Düllmann, GSI und JGU

Kernuhr

Foto: L. von der Wense, LMU München

Experimentiereinrichtung

 

Exakte Zeitmessungen spielen in unserem Alltag eine bedeutende Rolle. Sie ermöglichen es uns, verlässlich zu navigieren, präzise zu experimentieren und sorgen für einen weltweiten synchronisierten Datenaustausch. Die von einem Forscherteam der PTB Braunschweig, der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) und des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung Darmstadt durchgeführten Experimente bilden einen entscheidenden Schritt vorwärts zur möglichen Entwicklung einer Kernuhr. Eine solche Kernuhr könnte die Präzision herkömmlicher Atomuhren deutlich übertreffen. Der Kern des Thorium-229 besitzt den einzigen bekannten, für diese Anwendung geeigneten Anregungszustand bei einer Energie, die so außerordentlich tief ist, dass sie für aktuelle optische Techniken, wie sie in Atomuhren verwendet werden, zugänglich ist. In ihren aktuellen Experimenten gelang es den Wissenschaftlern, erstmals grundlegende Eigenschaften dieses Kerns im angeregten, isomeren Zustand zu messen und damit wesentliche Merkmale einzugrenzen. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher im Fachmagazin Nature.

Schon vor etwa 15 Jahren wurde an der PTB in Braunschweig das Konzept einer neuen Atomuhr mit einzigartigen Eigenschaften entwickelt: Taktgeber der Uhr soll nicht eine Übergangsfrequenz zwischen zwei Zuständen in der Elektronenhülle von Atomen sein, wie es bei allen heutigen Atomuhren der Fall ist, sondern eine Übergangsfrequenz im Atomkern. Die Protonen und Neutronen im Atomkern sind um viele Größenordnungen dichter gepackt und fester gebunden, als die Elektronen in der Atomhülle, und damit weniger empfindlich gegen äußere Störungen, die ihre Übergangsfrequenzen ändern könnten; gute Bedingungen also für eine Uhr von hoher Genauigkeit. Normalerweise liegen die Frequenzen von Kernübergängen dafür aber auch viel höher als diejenigen von Hüllenübergängen – im Bereich von Röntgenstrahlung – und sie sind daher für Atomuhren, die bisher ausschließlich auf Mikrowellen oder Laserlicht basieren, nicht nutzbar.

Die einzige bekannte Ausnahme, und Grundlage des PTB-Vorschlags, ist der Kern Thorium-229. Dieser besitzt einen quasi-stabilen, sogenannt isomeren Kernzustand bei außerordentlich geringer Anregungsenergie. Damit existiert ein Übergang zwischen dem Grundzustand und diesem Isomer, der im Frequenzbereich von ultraviolettem Licht liegt, noch erreichbar mit Lasertechnik wie sie ähnlich auch in heutigen optischen Atomuhren verwendet wird. Mehr als zehn Gruppen weltweit arbeiten derzeit an Forschungsprojekten zur Realisierbarkeit einer Thorium-229-Kernuhr. Dabei erwies sich die Fragestellung experimentell als äußerst schwierig. So ist es bis heute nicht gelungen, den Kernübergang mit optischen Methoden zu beobachten, da die exakte Anregungsenergie des Isomers bisher nur grob bekannt ist. Wie für die Uhr erwünscht, ist die Resonanz des Übergangs extrem scharf und kann nur beobachtet werden, wenn die Frequenz des Laserlichts exakt zur Energiedifferenz der beiden Zustände passt. Das Problem gleicht damit der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen.

Grundlegende Eigenschaften im isomeren Zustand des Thorium-229-Kerns vermessen

In einer Kooperation von Wissenschaftlern und Ingenieuren der PTB, der LMU, der JGU, des HIM und des GSI Helmholtzzentrums ist jetzt ein wichtiger Durchbruch erzielt worden: Es konnten erstmals grundlegende Eigenschaften wie Größe und Form der Verteilung der Protonen im isomeren Zustand des Th-229-Kerns gemessen werden. Dafür wurden die Th-229-Kerne nicht, wie zukünftig in der Uhr, vom Grundzustand aus mittels Laserlicht angeregt, sondern in einer von der LMU entwickelten Apparatur im angeregten Zustand aus dem Alpha-Zerfall von Uran-233 gewonnen, abgebremst und in einer Ionenfalle als Th2+-Ionen gespeichert. Eine hierfür geeignete Uran-233-Quelle wurde von den Gruppen in Mainz und Darmstadt hergestellt. Dazu wurde Uran-233 chemisch aufgereinigt und seine Tochterprodukte wurden entfernt, um einen Einfluss auf die Messung zu verhindern. Anschließend wurden in einem elektrochemischen Verfahren passgenaue Quellen als homogene Dünnschicht auf einer Siliziumunterlage für die PTB-Laserexperimente in der LMU-Apparatur abgeschieden. Christoph Düllmann, Professor am Institut für Kernchemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Leiter der beteiligten Gruppen an HIM und GSI, sagt: „Unsere Beiträge in diesem interdisziplinären Team aus Physikern und Chemiker zu einem Thema, das die Bereiche der Kernphysik und der Atomphysik verbindet, zeigt, dass kernchemische Expertise für die Bereitstellung geeigneter Proben für Experimente in verschiedensten Gebieten der aktuellen Forschung in Physik und Chemie unerlässlich ist.“

Mit Lasersystemen, die für die Spektroskopie dieser Ionen an der PTB entwickelt wurden, konnte man Übergangsfrequenzen in der Elektronenhülle der Th2+-Ionen präzise vermessen. Da diese Frequenzen von den Kerneigenschaften direkt beeinflusst werden, lassen sich daraus die Informationen über Eigenschaften des Kerns erhalten. Theoretische Modelle allein waren bisher nicht in der Lage vorherzusagen, wie sich die Struktur des Th-229-Kerns bei diesem ungewöhnlich niederenergetischen Übergang verhält.

Professor Thomas Stöhlker, stellvertretender Forschungsdirektor und Leiter des Bereichs Atomphysik von GSI, sagt: „Diese phantastischen neuen Ergebnisse sind sehr hilfreich, um in zukünftigen Experimenten an den Speicherringen von GSI und FAIR die Energiebestimmung des Übergangs in Th-229 vorzunehmen und diesen mit hoher Präzision zu vermessen.“ Ferner kann nun die laserspektroskopisch leichter messbare Struktur der Elektronenhülle genutzt werden, um eine Laseranregung des Kerns nachzuweisen. Die Suche nach der optischen Resonanzfrequenz des Th-229-Kerns als der Nadel im Heuhaufen ist damit noch nicht abgeschlossen, aber man weiß nun viel genauer, wie die versteckte Nadel eigentlich aussieht.

Weitere Informationen:

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Versuchsaufbau
Kernuhr
Experimentiereinrichtung
Johannes Thielking, Wissenschaftler bei der PTB, mit dem Laseraufbau zur Untersuchung des Thorium-229-Kerns.
Kernuhr, die auf einem Übergang im Atomkern des schweren Thorium-229 basiert. In der Uhr soll der Kern durch Laserlicht angeregt werden. Im jetzt durchgeführten Experiment konnten durch Laseranregung der Elektronenhülle erstmals wichtige Eigenschaften des angeregten, isomeren Kernzustands gemessen werden. Im Hintergrund: Ausschnitt aus der Nuklidkarte um Thorium-229. Der Grundzustand ist mit seiner Halbwertszeit von 7.932 Jahren eingetragen. Die Halbwertszeit des isomeren Zustands beträgt im neutralen Atom nur 7 μs und >60 s im Ion, da dieses kein schwach gebundenes Elektron emittieren kann. Die gemessenen Kerneigenschaften μ and Q, die ein Maß für die Ladungsverteilung und die Kernform sind, sind ebenfalls eingetragen.
Die an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz hergestellte Uran-233-Quelle (große Scheibe in der Bildmitte) wurde in die Experimentiereinrichtung an der LMU München eingebaut. In der perfekt glatten Oberfläche spiegeln sich Komponenten der Apparatur.
Foto: PTB
Bild: C. Düllmann, GSI und JGU
Foto: L. von der Wense, LMU München