(Sauerstoff/Moment/Getty Images) Die genauesten Uhren, die es gibt, basieren nicht auf einem Quarzwerk oder einer Unruh, sondern auf dem Ticken von Elektronen in einer Atomhülle. Die besten dieser Atomuhren sind genau ein Teil von 10 18 - so präzise, dass sie in all den Milliarden Jahren seit Beginn des Universums noch keine einzige Sekunde verloren hätten.
Es gibt eine potenzielle neue Art von Uhr, die diese Präzision um eine Größenordnung, auf ein Zehntel, verbessern könnte 19 . Es basiert auf dem Ticken von Kernen eines Thoriumisotops, aber obwohl die Idee wurde erstmals im Jahr 2003 aufgelegt Es war schwierig, es umzusetzen.
Nun bringt uns eine neue Messung des „Tickens“ des Kerns von Thorium-229 der Verwirklichung des Traums einer Kernuhr einen Schritt näher.
„Für den 229mTh-Zustand wurden zahlreiche Anwendungen und Untersuchungen vorgeschlagen, die von einem nuklearen Gammalaser über eine hochpräzise und stabile Ionen-Kernuhr bis hin zu einer kompakten Festkörper-Kernuhr reichen.“ schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Solche Uhren würden es ermöglichen, ein neues Maß an Präzision für Sonden der Grundlagenphysik zu erreichen, z. B. für die Suche nach einer Variation fundamentaler Konstanten.“ Dunkle Materie , oder als Gravitationswelle Detektor. Sie können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in der Geodäsie oder der satellitengestützten Navigation.'
So funktioniert eine Atomuhr. Atome eines bestimmten Elements wie z Strontium oder Ytterbium werden mit Lasern bestrahlt. Dadurch werden die Elektronen in den Atomhüllen angeregt, sodass sie zwischen zwei Energiezuständen hin- und herschwingen. Diese Schwingungen entstehen durch Übergänge zwischen Energieniveaus, die durch bestimmte Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung angeregt werden.
Eine Kernuhr sollte nach dem gleichen Prinzip funktionieren, außer dass anstelle der Elektronen der Kern selbst schwingt.
Aber die meisten Atomkerne haben hohe Übergangsenergien im Kiloelektronenvolt- bis Megaelektronenvolt-Bereich. Um ausreichend angeregt zu werden, um zu oszillieren, benötigen diese Kerne eine beträchtliche Energiemenge – man denke an Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen statt an Laser –, was ihre Verwendung zur Zeitmessung äußerst unpraktisch macht. Wir verfügen einfach nicht über eine Lasertechnologie, die diese Energien verarbeiten kann.
Die bemerkenswerte Ausnahme hier ist Thorium-229. Von den Tausenden bekannten Atomkernen ist der angeregte Zustand der Thorium-229-Kern bei weitem der niedrigste bekannte Wert , im Elektronenvoltbereich. Es ist so niedrig, dass es durch ultraviolette Strahlung induziert werden kann.
Das sind großartige Neuigkeiten für unsere Bemühungen um eine Atomuhr, aber wir sind noch lange nicht am Ziel. Um die genaue Wellenlänge des ultravioletten Lichts herauszufinden, die zur Anregung des Kerns erforderlich ist, und damit die erforderliche Lasertechnologie, müssen wir die genaue Energieänderung zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand messen.
Es wurden mehrere Versuche unternommen, und jeder einzelne hat es etwas weiter eingegrenzt. Aber ein neuer Versuch des Physikers Tomas Sikorsky von der Universität Heidelberg in Deutschland ist möglicherweise der bisher präziseste.
Das Team maß die emittierte Gammastrahlung, als das Isotop Uran-333 in verschiedene Isomere oder molekulare Konfigurationen von Thorium-229 zerfiel, einschließlich des gewünschten metastabilen Isomers Thorium-229m. Diese Technik wurde bereits früher verwendet und lieferte Ergebnisse von 7,6 Elektronenvolt und 7,8 Elektronenvolt 2007 Und 2009 jeweils.
Allerdings nutzte Sikorskys Team eine neue, präzisere Methode zur Messung der Gammastrahlung. Als Gammastrahlenspektrometer entwickelten sie ein kryogenes magnetisches Mikrokalorimeter. Gammastrahlen treffen auf die absorbierende Platte und werden in Wärme umgewandelt. Dies wird dann in den Sensoren in eine Magnetisierungsänderung umgewandelt, die in die Energie des Übergangs umgewandelt werden kann.
„Dieses Experiment ergänzt das Experiment zur Umwandlung von Elektronen, indem die Isomerenergie direkt aus den experimentellen Daten extrahiert wird, ohne auf Berechnungen zurückgreifen zu müssen.“ schrieben die Forscher in ihrer Arbeit . „Die einzige signifikante Unsicherheit in unserem Experiment ist der statistische Fehler.“
Mit dieser neuen Messtechnik ermittelte das Team eine Übergangsenergie von 8,1 Elektronenvolt, was einer Anregungswellenlänge von 153,1 Nanometern entspricht.
Das kommt sehr nahe Eine Messung, die letztes Jahr durchgeführt wurde Mit einer anderen Technik wurde eine Energie von 8,28 Elektronenvolt ermittelt, was einer Wellenlänge von 149,7 Nanometern entspricht. Wir scheinen also näher zu kommen, und Laser in diesem Wellenlängenbereich sind nicht unmöglich – wir müssen sie nur bauen.
Da, wie die Forscher feststellten, die einzige Unsicherheit statistischer Natur ist, sollte die Durchführung einer großen Anzahl von Messungen diese Unsicherheit erheblich reduzieren. Das bedeutet, dass eine nukleare Uhr jetzt erreichbarer denn je ist.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung .