Chinas Thorium-229-Kernuhr tickt – eine Weltpremiere

Physiker der Tsinghua-Universität in Peking haben etwas geschafft, dem die Quantenmetrologie seit Jahrzehnten nachjagt: Sie betrieben eine Uhr, die von einem Atomkern angetrieben wird und nicht von den Elektronen um ihn herum. Die online in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Arbeit wird vom Team als erster Betrieb einer Thorium-229-Kernuhr beschrieben, erreicht parallel zu einer europäischen Gruppe.

Jede Uhr braucht einen wiederkehrenden Takt. Die besten heutigen Atomuhren nutzen Laser, um Elektronen zwischen Energieniveaus in Atomen wie Strontium oder Ytterbium hin- und herschwingen zu lassen. Das Tsinghua-Team verankerte stattdessen einen Laser an einem Übergang im Kern von Thorium-229, einem Isotop, dessen niedrigster angeregter Zustand ungewöhnlich niedrig in der Energie liegt. Diese Eigenheit macht ihn mit Licht erreichbar statt mit den starken Röntgenstrahlen, die solche Kernübergänge normalerweise erfordern.

Um dorthin zu gelangen, bauten die Forscher im Haus einen kontinuierlichen Vakuum-Ultraviolett-Laser mit 148 Nanometern Wellenlänge und kombinierten ihn mit Calciumfluorid-Kristallen, die mit Thorium-229 dotiert waren und mit Partnergruppen entwickelt wurden. Indem sie den Laser auf den Kristall richteten und seine Frequenz auf den Kernübergang abstimmten, konnten sie den Übergang stabil genug halten, um als Zeitreferenz zu dienen.

Warum der Aufwand? Ein Kern ist tausendfach kleiner als die Elektronenwolke um ihn herum und weit besser gegen störende elektrische und magnetische Felder abgeschirmt. Diese Abschirmung könnte Kernuhren weniger empfindlich gegenüber Umgebungsrauschen machen und die besten heutigen Frequenzstandards potenziell übertreffen. Da der Kernübergang zudem anders auf Gravitation und auf mögliche Driften der fundamentalen Naturkonstanten reagiert, könnten solche Uhren zu Werkzeugen werden, um zu prüfen, ob diese Konstanten wirklich konstant sind.

Praktische Erträge liegen ferner, doch die Richtung ist vertraut. Bessere Zeitmessung untermauert Satellitennavigation, Telekommunikationsnetze und finanzielle Zeitstempel und schärft die Suche nach Dunkler Materie und nach subtilen Verschiebungen, die Theorien jenseits des Standardmodells vorhersagen. Eine Kernuhr ersetzt Atomuhren nicht so sehr, als dass sie eine andere Art von Maßstab darstellt, empfindlich für Kräfte, die elektronenbasierte Geräte weitgehend ignorieren.

Das Ergebnis fällt in ein starkes Jahr für die Physik. Der Nobelpreis für Physik 2026 ging an die Architekten von IceCube, dem im antarktischen Eis vergrabenen Detektor, der fast masselose Geisterteilchen namens Neutrinos einfängt, und der Chemiepreis ehrte zwei Wissenschaftler, die zeigten, wie molekulare Händigkeit sich selbst verstärken kann. Präzisionsmessung, Teilchenastronomie und spiegelbildliche Moleküle machten alle denselben Punkt: Instrumente, die das Unsichtbare sehen, erschließen oft das Unerwartete.

Tsinghuas Ding Shiqian und seine Mitarbeiter betonen, dass dies ein Anfang ist, kein fertiges Instrument. Ein einzelner funktionierender Übergang muss noch stabilisiert, mit bestehenden Standards verglichen und lange genug betrieben werden, um zu beweisen, dass er die Zeit besser hält als das, was Labore bereits haben. Das fast zeitgleich angekündigte europäische Ergebnis deutet darauf hin, dass das Feld nun ein echter Wettlauf ist und keine einsame Anstrengung.

Für globale Leser ist die Bedeutung klar. Eine Uhr, die Schwingungen im Inneren eines Atomkerns zählt, verlagert die Zeitmessung von der Elektronenhülle in den Kern der Materie selbst – und das geschah zuerst in einem chinesischen Labor, das mit internationalen Partnern zusammenarbeitet. Wenn die Technik ausreift, könnten die Sekunden, auf die wir alle uns verlassen, eines Tages durch etwas definiert werden, das weit kleiner und seltsamer ist als die Atome, die wir heute nutzen.