Die ersten Atomkernuhren ticken in Wien und Peking nach 50 Jahren Suche

Eine Kernuhr, die ihre Zeit nicht mit den Elektronen eines Atoms, sondern mit dessen Kern misst, hat endlich zu ticken begonnen. In Wien hielt ein auf Thoriumkerne in einem Kristall eingestellter Laser mehr als einen ganzen Tag lang seinen eigenen Takt, ohne dass jemand eingreifen musste; ein Team in Peking baute unabhängig eine zweite Uhr derselben Art.

Damit sind dies die ersten funktionsfähigen Kernuhren – Geräte, denen Physiker seit Jahrzehnten nachjagen. Der Kern ist winzig und durch seine eigene Elektronenhülle abgeschirmt, sodass Störfelder, Wärme und Vibrationen ihn kaum erreichen. Eine darauf basierende Uhr könnte eines Tages die Zeit stabiler halten als die Atomuhren, die Satellitennavigation, Internet und die Definition der Sekunde ermöglichen.

Die Wiener Uhr stammt aus der Gruppe von Thorsten Schumm an der TU Wien und der Gruppe von Ekkehard Peik an der PTB, Deutschlands nationalem Metrologieinstitut. Die Pekinger Uhr kommt von einem Team der Tsinghua University unter Leitung von Shiqian Ding, das mit 13 weiteren chinesischen Institutionen zusammenarbeitete. Beide Arbeiten erschienen in derselben Ausgabe von Nature und nutzen dasselbe seltene Isotop, Thorium-229.

„Die Entwicklung einer Kernuhr war etwas, wovon Physiker fast 50 Jahre lang geträumt haben“, sagte Schumm Reuters. Sein eigenes Team arbeitet seit 2008 darauf hin.

Wie ein Kristall und ein Laser die Zeit messen

Jede Uhr braucht etwas, das mit fester Rate schwingt. Bei einer Pendeluhr ist das das Pendel. Bei einer Atomuhr ist es das Licht, das ein Elektron absorbiert, wenn es zwischen zwei Energieniveaus wechselt – Licht, das in den besten modernen optischen Uhren weit schneller oszilliert, als es irgendein mechanisches Bauteil könnte.

Eine Kernuhr verlagert diese Aufgabe in den Atomkern. Auch Protonen und Neutronen besitzen Energieniveaus, doch fast alle liegen viel zu hoch, um von einem Laser erreicht zu werden. Thorium-229 ist die Ausnahme: Sein Kern besitzt einen angeregten Zustand, der niedrig genug liegt, um mit Vakuum-Ultraviolettlicht bei einer Wellenlänge von rund 148 Nanometern angeregt zu werden. Ihn zu treffen, ist dennoch schwierig. Nach Angaben der PTB muss der Laser die Übergangsenergie auf ein Millionstel Elektronenvolt genau treffen.

Schumms Team züchtete mit Thorium-229 dotierte Calciumfluoridkristalle – millimetergroße Stücke, die bei Raumtemperatur riesige Mengen an Kernen enthalten. „Die Grundidee ist einfach: Man hat einen Laser und man hat Thorium“, sagte Schumm. Die Kerne absorbieren Licht nur bei einer präzisen Frequenz. Driftet der Laser etwa, weil sich der Raum leicht erwärmt, absorbiert der Kristall weniger Licht, ein Detektor registriert den Rückgang und eine Rückkopplungsschleife steuert den Laser zurück. Die Kerne werden zur Referenz, und die korrigierte Laserfrequenz wird zum Takt der Uhr.

Zwei technische Veränderungen machten dies möglich. Die PTB und das Max-Born-Institut in Berlin bauten einen kompakten Festkörperlaser, der kontinuierlich emittiert; das ältere System nahm mehrere Quadratmeter optischer Tische ein und arbeitete nur mit Pulsen. Die Teams hörten außerdem auf, das schwache Leuchten zu zählen, das die Kerne nach der Anregung aussenden und dessen Auslesung rund zehn Minuten dauerte – viel zu langsam, um einen Laser zu steuern. Stattdessen messen sie, wie viel Laserleistung der Kristall schluckt, ein Signal, das schnell genug ist, um die Regelung zu schließen.

Wien gegen Peking

Die Wiener Uhr lief mehr als 24 Stunden unbeaufsichtigt, während sie mit einer konventionellen optischen Atomuhr verglichen wurde. Ihre fraktionale Instabilität lag bei etwa 3 × 10⁻¹² über eine Mittelungszeit von einer Sekunde, und diese Streuung sank über einen Tag hinweg in Richtung 10⁻¹⁵. Die TU Wien übersetzt dies in einen Fehler von ungefähr einer Sekunde in 30 Millionen Jahren – ein Wert, der während eines eintägigen Laufs gemessen wurde, nicht über Millionen von Jahren beobachtet.

Die Pekinger Uhr ist über kurze Zeiträume stabiler. Ihre Instabilität über eine Sekunde liegt laut den von Physics World berichteten Werten etwa sechsmal niedriger als die der Wiener Uhr. Dings Team baute einen eigenen kontinuierlichen Laser mit höherer Leistung bei 148,4 Nanometern und lernte, kleine Kristalle aus nur 1,4 Mikrogramm Thorium-229 zu züchten, weil China nur begrenzten Zugang zu dem Isotop hat. Zwei unabhängig gezüchtete Kristalle lieferten dieselbe Übergangsfrequenz, die auch mit früheren Messungen des JILA in Colorado übereinstimmte.

Schumm betrachtet die beiden Ergebnisse als komplementär. Die Wiener Kristalle enthalten eine höhere Thoriumkonzentration und weisen bessere optische Eigenschaften auf, sagte er Reuters, während das Pekinger Team über den stärkeren Laser verfügt. „Allein durch die Kombination dieser Komponenten können wir also schon eine deutlich bessere Uhr bauen“, sagte er.

„Die beiden Teams arbeiteten unabhängig voneinander und erreichten gleichzeitig funktionsfähige Thorium-229-Kernuhren, wobei sie unterschiedliche experimentelle Ansätze nutzten“, sagte Ding Reuters und ergänzte, dies zeige, „dass das Konzept robust ist“.

Was diese Uhren noch nicht leisten

Keine der beiden Uhren übertrifft die Atomuhren, gegen die sie gemessen wurde. „Das ist noch nicht auf dem Niveau der besten optischen Atomuhren der Welt“, sagte Schumm. Peik formulierte es in der PTB-Mitteilung noch direkter: Die Stabilität „stellt noch keine Weltrekorde auf“.

Die größte Lücke betrifft die Schärfe der Resonanz. „Wir haben jetzt eine Linienbreite von 30 kHz gesehen, aber die natürliche Linienbreite sollte weit unter 1 Hz liegen“, sagte Peik Physics World. Eine verschwommene Resonanz bedeutet einen verschwommenen Takt. Auch der Kristall selbst gehört zum Rätsel: Thorium besetzt mehrere unterschiedliche Plätze im Calciumfluoridgitter, und die Teams arbeiten noch daran zu verstehen, wie dies die Resonanz prägt. Ding erklärte, dass Calciumfluorid-Wirtskristalle die Leistung begrenzen und bessere Wirtsmaterialien erforderlich seien.

Beide Maschinen sind zudem Laborprototypen. Sie sind für Vergleiche auf Referenzuhren, auf maßgeschneiderte Ultraviolettlaser und auf ein schwer erhältliches Isotop angewiesen. Bis zu einem robusten Gerät, das ein Schiff, ein Satellit oder ein Rechenzentrum mitführen könnte, ist es noch ein weiter Weg der Ingenieursarbeit.

Warum Physiker eine bessere Uhr wollen

Uhren bestimmen bereits mehr Bereiche des Alltags, als den meisten Menschen bewusst ist. Satellitennavigation ermittelt Positionen aus winzigen Unterschieden bei den Signalzeiten. Datennetze werden mit der Atomzeit synchronisiert. Vermessungsingenieure und Geophysiker nutzen die Tatsache, dass Uhren in unterschiedlichen Höhen in der Erdgravitation unterschiedlich schnell ticken.

Eine Kernuhr fügt zwei Aspekte hinzu. Erstens könnte ein Festkörperdesign ohne eingefangene Atome oder Ionen in einer Vakuumkammer präzise Zeitmessung letztlich kleiner und robuster machen. Zweitens hängt der Thoriumübergang von den Kräften im Kern ab und sollte daher viel stärker als atomare Übergänge reagieren, falls sich eine Naturkonstante verändert oder eine Form Dunkler Materie auf gewöhnliche Materie einwirkt. Das Wiener Team führte diesen Test bereits mit seinem Prototyp durch. Es fand kein Signal Dunkler Materie, doch seine Grenzen für die Kopplung Dunkler Materie an Licht und an die starke Kraft sind bereits mit denen vergleichbar, die von den besten Atomuhren gesetzt wurden.

Victor Flambaum von der University of New South Wales, der nicht beteiligt war, nannte die Geräte die „ersten Prototypen von Kernuhren“. Schumms Urteil fiel weiter aus: „Es eröffnet den Zugang zu einem völlig neuen Universum der Physik.“

Häufige Fragen zur Kernuhr

Was ist eine Kernuhr?

Eine Kernuhr misst Zeit anhand eines Übergangs innerhalb eines Atomkerns statt anhand eines Sprungs zwischen Elektronenenergieniveaus. Ein Laser wird auf die exakte Frequenz eingestellt, die der Kern absorbiert, und diese Frequenz wird zum Takt der Uhr. Thorium-229 ist der einzige bekannte Kern mit einem energetisch niedrig genug liegenden Übergang, der mit einem Laser erreichbar ist.

Ist eine Kernuhr radioaktiv oder gefährlich?

Sie hat nichts mit Kernspaltung oder Kernfusion zu tun und erzeugt keine Kernenergie. Thorium-229 ist ein radioaktives Isotop, doch die Uhren verwenden winzige Mengen davon, die in einem Kristall eingeschlossen sind, und der Laser hebt den Kern lediglich in einen etwas höheren Energiezustand an.

Ist eine Kernuhr genauer als eine Atomuhr?

Noch nicht. Die Wiener und Pekinger Prototypen sind weniger stabil als die besten optischen Atomuhren. Die Erwartung ist, dass der Kern, der weit kleiner und besser abgeschirmt ist als die Elektronenhülle, letztlich eine bessere Leistung ermöglichen wird, sobald Laser und Kristalle verbessert werden.

Wofür könnten Kernuhren eingesetzt werden?

Forscher verweisen auf Satellitennavigation, Netzsynchronisierung, Vermessung und Grundlagenphysik. Da der Thoriumübergang hochsensitiv auf die Kräfte im Kern reagiert, sind diese Uhren auch Werkzeuge für die Suche nach Dunkler Materie und nach Veränderungen von Naturkonstanten.

Stärkere Laser, bessere Kristalle, einzelne Ionen

Der Thoriumkern wurde erstmals im April 2024 von Schumms und Peiks Teams mit einem Laser angeregt, Jahrzehnte nachdem Peik 2003 das Prinzip der Kernuhr vorgeschlagen hatte. Im darauffolgenden Herbst wurde der Aufbau mit einer konventionellen optischen Atomuhr verbunden. Die selbststabilisierende Wiener Uhr wird in einer am 7. Oktober 2026 veröffentlichten Nature-Arbeit beschrieben, neben der Tsinghua-Arbeit in derselben Ausgabe sowie einer begleitenden Studie von PTB und TU Wien zur Absorption eines kontinuierlichen Lasers durch den Thoriumkern, die im September in Nature erschien.

Die nächsten Schritte sind konkret. Peiks Gruppe plant, die Laserleistung zu steigern, das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors zu verbessern und zu kartieren, wie Thorium im Kristall sitzt, um herauszufinden, was die Resonanz verbreitert. Dings Team sucht nach Wirtskristallen, die besser als Calciumfluorid sind, und interessiert sich für eine Uhr auf Basis einzelner eingefangener Thoriumionen, die Ding als „technisch viel schwieriger“ bezeichnete, die aber möglicherweise den Weg zur höchsten Genauigkeit weisen.

Referenzen: Toscani De Col et al., „A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop“, Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang et al., „A nuclear clock synchronized to 229Th“, Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

Schlagwörter: Physik, Atomkernuhr, Atomuhr, PTB, thorium-229, Tsinghua University