Warum ist diese kernoptische Uhr aus China es wert, 50 Jahre lang von der Menschheit erforscht zu werden?

Kernoptische Uhr – habt ihr kürzlich schon davon gehört?

Vor einigen Tagen veröffentlichte die Xinhua-Nachrichtenagentur einen offiziellen Bericht, der besagt, dass ein chinesisches Forschungsteam eine kernoptische Uhr entwickelt hat und die Ergebnisse in der renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift *Nature* veröffentlicht wurden.

Zusammengefasst bedeutet das: Das chinesische Team hat eine leistungsfähigere Atomuhr entwickelt, die nicht mehr auf der Ebene der äußeren Elektronen von Atomen, sondern direkt im Atomkern arbeitet – daher wird sie Kernuhr oder kernoptische Uhr genannt.

Wir haben uns längst an Fälle gewöhnt, in denen bereits Bachelorstudenten Arbeiten in *Nature* veröffentlichen, aber der Begriff „kernoptische Uhr“ klingt schon extrem eindrucksvoll... Vielleicht habe ich in letzter Zeit zu viele Fantasy-Romane gelesen, mein erster Gedanke war: Ist das etwa ein neues magisches Artefakt, vergleichbar mit der legendären Donghuang-Glocke?

Wenn ihr aber im Internet danach sucht, merkt ihr schnell, dass die meisten öffentlichen Meinungen dazu ungefähr so aussehen:

Was! Chinesen definieren die Zeit neu?

Chinesen können schon einen Tag vor einem Erdbeben davon erfahren?

Ein Bachelorstudent der Tsinghua-Universität verdoppelt die Kampfkraft chinesischer U-Boote mit Nuklearantrieb?

Leute, einige Marketingkanäle sollten mal den Ton mäßigen – die Arbeit wurde doch in *Nature* veröffentlicht, nicht in einem Geschichtenmagazin. Ein rein wissenschaftliches Projekt wird so aufgebauscht, als wäre es ein Streit in der Debattierszene, so viel Mystik ist da gar nicht dran.

Aber nachdem ich mich gründlich damit auseinandergesetzt habe, stellte sich heraus: Auch wenn die Aussagen dieser Marketingkanäle etwas übertrieben sind, ist die Technologie der kernoptischen Uhr tatsächlich erstklassig.

Um das genauer zu verstehen, müssen wir auf die allseits bekannten Atomuhren zu sprechen kommen.

Wie allgemein bekannt ist, haben Menschen die Fähigkeit zur präzisen Messung bis an die Grenzen getrieben, um herauszufinden, wie lang eine Sekunde genau ist.

Früher beobachteten wir die Umlaufbewegungen von Sonne und Planeten, später nutzten wir mechanische Uhren, bei denen ein Pendelschlag genau eine Sekunde dauerte. Um noch feinere Messungen zu ermöglichen, erforschten wir später Quarz.

Quarzkristalle schwingen bei elektrischer Versorgung mit einer Frequenz von 32768 (2^15) Hertz. Nach 15 Frequenzteilungsschritten lässt sich also ein Signal erzeugen, das einmal pro Sekunde ausgegeben wird – deshalb wird Quarz als Quarzosziillator in allen möglichen elektronischen Bauteilen verbaut.

Genau dieser weiße Zylinder

Da Quarz aber immer noch von Faktoren wie Temperatur und Alterung beeinflusst wird, haben Menschen die Messskala noch weiter verkleinert und die Definition der Zeit auf Atome umgestellt.

Schon im Chemieunterricht der Mittelstufe lernen wir, dass die Elektronen im Inneren eines Atoms sich auf bestimmten Quantenniveaus befinden. Wenn sie zwischen zwei Niveaus springen, absorbieren oder emittieren sie elektromagnetische Wellen mit einer genau definierten Frequenz.

Aufgrund der Beschränkung durch das Plancksche Wirkungsquantum ist diese Frequenz ein fester Wert im Universum – also eignet sie sich perfekt zur Zeitmessung. Beispielsweise definiert die Cäsium-Atomuhr die Sekunde anhand der spezifischen Übergangsfrequenz von Cäsium-133. Deshalb ist die Sekunde im Internationalen Einheitensystem genau die Dauer von 9192631770 Schwingungen des Übergangs von Cäsium-133.

Wenn Atomuhren schon so weit entwickelt sind, wieso entwickelt man dann überhaupt die kernoptische Uhr, mit der wir angefangen haben? Haben die Forscher nichts Besseres zu tun?

Der Grund ist im Prinzip derselbe, aus dem wir Quarzuhren abgelöst haben: Auch wenn Atomuhren extrem fortschrittlich sind, sind Elektronen so leicht, dass sie sehr leicht von äußeren elektromagnetischen Umgebungen gestört werden. Wissenschaftler müssen enorme Anstrengungen unternehmen, um systematische Fehler zu beseitigen.

Ganz zu schweigen davon, dass eine vollständige Atomuhr zusätzlich komplexe Systeme zur Laserkühlung, Vakuumsysteme und eine Umgebung nahe dem absoluten Nullpunkt erfordert.

Obwohl der eigentliche funktionierende Teil nicht sehr groß ist, sind die Zusatzkomponenten aufwendiger als ein Mondkuchen-Geschenkset zum Mondfest. Es ist sehr schwierig, sie weiter zu verkleinern und für den praktischen Einsatz zu optimieren – und auf Satelliten nimmt sie auch viel Platz ein.

Daher kam jemand auf die Idee: Können wir nicht noch kleiner werden und direkt den Atomkern zur Zeitmessung nutzen?

Wie kaum bekannt ist, gibt es im Atom nicht nur Energieniveaus für die äußeren Elektronen, sondern auch der im Zentrum sitzende Atomkern hat eigene Energieniveaus und kann ebenfalls Quantensprünge vollziehen. Und die Zeitmessung mit Atomkernen ist geradezu eine perfekte Wahl.

Wenn die äußeren Elektronen wie Federn am Rand eines Sportplatzes sind, die schon bei leichtem Wind wegfliegen, dann ist der Atomkern wie ein Fels in der Mitte des Platzes: Er bleibt völlig unbewegt, egal welche elektromagnetischen Störungen von außen kommen.

Theoretisch liegt der maximale Fehler gängiger Atomuhren heute bei einer Sekunde Abweichung pro 100 Millionen Jahre. Aber die theoretische Genauigkeit der Kernuhr erreicht eine Abweichung von nur einer Sekunde pro mehreren hundert Milliarden Jahren – das ist länger als die Zeit, die seit dem Urknall vergangen ist!

OK, wie baut man nun dieses so wunderbare Werkzeug? Das Grundprinzip ist dasselbe wie bei der Atomuhr:

Zuerst trifft ein Laserstrahl den Atomkern, um ihn in den angeregten Quantenzustand zu versetzen;

Dann berechnet man die spezifische Frequenz der Übergangsenergie des Atomkerns und stimmt den Laser exakt auf diese Frequenz ab;

Zuletzt misst man die Frequenz dieses Lasers, der perfekt vom Atomkern kalibriert wurde, und nutzt Werkzeuge wie ein „Lichtfrequenzkamm“, das ähnlich wie ein Getriebe funktioniert, um die Lichtwellenfrequenz wieder auf die Einheit von einer Sekunde zurückzuführen.

Fertig ist die kernoptische Uhr.

Das klingt so einfach, als würde man einen Elefanten in einen Kühlschrank stecken, aber die Menschheit hat ganze 50 Jahre gebraucht, um diese wenigen Schritte umzusetzen...

Denn das erste Problem beim Bau einer kernoptischen Uhr ist die Energie: Ein normaler Atomkern braucht extrem energiereiche Gammastrahlen, um angeregt zu werden. Mit der heutigen Technik beherrschen Menschen Gammastrahlen aber noch nicht vollständig... (und sie sind so durchdringend, dass sie auch die Messgeräte zerstören könnten).

Zum Glück gibt es immer einen Ausweg. 1976 entdeckten US-Wissenschaftler bei der Forschung an Kernwaffen zufällig, dass nach dem Zerfall des Elements Thorium-229 zwei ungewöhnlich eng beieinander liegende Energieniveaus im Atomkern existieren – die Übergangsenergie ist extrem niedrig!

Aber damals dachten die US-Forscher noch nicht daran, daraus eine kernoptische Uhr zu bauen.

Erst 2003 erkannten deutsche Wissenschaftler diese Möglichkeit und stellten fest: Ist Thorium-229 nicht gerade das perfekte Ausgangsmaterial für eine kernoptische Uhr? Man kann es sogar mit einem Laser anregen!

Aber das blieb zunächst nur eine Idee: Erst 2016 konnten Wissenschaftler zum ersten Mal nachweisen, dass dieser angeregte Zustand bei Thorium-229 überhaupt existiert. Über die genaue Energie, die für den Übergang von Thorium-229 in den angeregten Zustand benötigt wird, wusste man damals noch gar nichts.

Früher schätzte man sie auf 3,5 Elektronenvolt, erst 2023 konnte man diesen Wert auf etwa 8,3 Elektronenvolt genau bestimmen. Erst 2024 bestätigten die Wissenschaftler endgültig, dass ein Laser mit einer Wellenlänge von etwa 148,3 Nanometern benötigt wird.

Gut, jetzt wissen wir, was wir brauchen – also bauen wir es sofort! Aber es tauchen neue Probleme auf.

Um eine echte „Uhr“ zu bauen, darf der Laser nicht nur kurz aufblitzen, er muss extrem stabil sein. Aber genau diese 148-Nanometer-Strahlung liegt im vakuumultravioletten Spektralbereich.

Diese Strahlung ist extrem empfindlich, sie wird von Luft absorbiert, und die vorhandenen optischen Materialien und Lasertechniken sind ihr völlig nicht gewachsen.

Das Problem ist so schwierig, dass selbst das US-Militär keine Lösung fand. Im Januar 2025 veröffentlichte die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) der USA ein Projekt namens SUNSPOT, dessen eines Kernziel genau darin besteht, den für Thorium-229 benötigten Laser zu entwickeln...

Aber gerade als dieser Laser die US-Forscher ausbremste, hat das Team von Professor Ding Shiqian von der Tsinghua-Universität die Kurve genommen und die Konkurrenz überholt...

Statt den Laser auf dem üblichen Weg zu bauen, nutzten sie „Cadmiumdampf“ als Medium und verwendeten ein Verfahren namens „Vierwellenmischung“, um mehrere Laser unterschiedlicher Frequenz zu einem reinen vakuumultravioletten Lichtstrahl von 148 Nanometern zu verschmelzen.

Nach jahrelanger harter Arbeit entwickelte das Team endlich eine kontinuierliche, stabile Lichtquelle. Im Februar dieses Jahres wurde dieses Ergebnis direkt in *Nature* veröffentlicht.

Interessanterweise löste die Veröffentlichung dieser *Nature*-Arbeit zur Lichtquelle eine kleine Diskussion im Internet über die Reihenfolge der Autoren aus. Damals war der Tsinghua-Bachelorstudent Xiao Qi der erste gemeinsame Erstautor,