Schwingungen im Atomkern sollen als Taktgeber für künftige Atomkernuhr dienen / Energie beim Zerfall von Thorium-229 erstmals genau gemessen
12.09.2019
GEMEINSAME PRESSEMITTEILUNG DER LUDWIG-MAXIMILIANS-UNIVERSITÄT MÜNCHEN, DES GSI HELMHOLTZZENTRUMS FÜR SCHWERIONENFORSCHUNG GMBH UND DER JOHANNES GUTENBERG-UNIVERSITÄT MAINZ
Physiker konnten erstmals die Energie genau messen, die beim Zerfall des angeregten Atomkerns Thorium-229 frei wird. Damit sind sie bei der Entwicklung der Kernuhr, die noch weit genauer tickt als heutige Atomuhren, einen wichtigen Schritt weitergekommen.
Uhren gehören zu den genauesten Messinstrumenten überhaupt. Die derzeit besten Atomuhren gehen in 30 Milliarden Jahren nur um eine einzige Sekunde falsch. Die sogenannte Kernuhr, die auf Energieveränderungen im Kern des Isotops Thorium-229 basiert, könnte diese Präzision noch um eine ganze Größenordnung übertreffen. Ein Team unter der Leitung des LMU-Physikers Peter Thirolf ist nun in Zusammenarbeit mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung Darmstadt, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM), der Universität Bonn und der Technischen Universität Wien einen bedeutenden Schritt auf dem Weg zur Kernuhr vorangekommen und hat es mit diesem Thema sogar auf die Titelseite des renommierten Fachmagazins Nature geschafft. Wie die Wissenschaftler berichten, ist es ihnen erstmals gelungen, die Energie, die beim Zerfall dieses Kerns frei wird, genau zu vermessen – eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung der Kernuhr.
Taktgeber sind Schwingungen im Atomkern
Im Unterschied zu gewöhnlichen Atomuhren dienen bei Kernuhren nicht Schwingungen in der Elektronenhülle von Atomen als Taktgeber, sondern Schwingungen im Atomkern selbst. Hervorgerufen werden die Schwingungen durch Übergänge zwischen Energieniveaus, die bei Atomuhren mit Lasern erzeugt werden. Allerdings liegen die in Atomkernen vorherrschenden Energien um mehrere Größenordnungen über denen der Atomhülle, deshalb können Kerne mit heutigen Lasern normalerweise nicht angeregt werden. Der einzige mögliche Kandidat für die Entwicklung einer Kernuhr ist Thorium-229, da dieses Isotop das bei Weitem niedrigste angeregte Energieniveau aller derzeit bekannten etwa 3.800 Atomkerne besitzt. Für seine Anregung reicht ultraviolette Strahlung aus, die mit Lasern produziert werden kann.
Welche Art von Laser für die Anregung von Thorium-229 benutzt werden muss, war bisher allerdings unklar, da die Eigenschaften des Kerns nicht genau genug bekannt sind. "Die Energie beziehungsweise Wellenlänge des Laser-Lichts muss haargenau auf die Energie des Kernübergangs abgestimmt sein. Diese Energie haben wir in unseren Experimenten an der LMU nun erstmals genau bestimmt", sagt Benedict Seiferle, der Erstautor des Papers.
Uran-233-Quellen aus Mainz als Lieferanten des angeregten Thorium-229
Da der angeregte Zustand aktuell nicht direkt erzeugt werden kann, verwendeten die Wissenschaftler angeregte Thorium-229-Kerne aus in Mainz hergestellten Quellen. "Für die Herstellung der Quellen wurde in Mainz Uran-233 chemisch gereinigt und elektrochemisch auf titanbeschichteten Siliziumwafern abgeschieden. Dadurch entstehen dünne und homogene Schichten. Uran-233 zerfällt durch einen Alphazerfall zu Thorium-229. Die beim Alphazerfall freiwerdende Energie katapultiert das Thorium-229 aus der Uranschicht in eine von den LMU-Kollegen entwickelte Apparatur, in der Thorium-229-Kationen gewonnen werden", beschreibt der Chemiker Christoph Düllmann vom GSI Helmholtzzentrum, der Universität Mainz und dem HIM das Verfahren. Wenn Thorium-229 als Ion vorliegt, besitzt es einen mit einer Lebensdauer von Stunden vergleichsweise langlebigen angeregten Kernzustand. "Durch die lange Lebensdauer finden allerdings nur äußerst selten Zerfälle statt, die man messen kann. Gibt man diesem Ion seine Elektronen zurück, zerfällt der angeregte Kernzustand dagegen sehr schnell", sagt Seiferle.
Deshalb nutzten die Wissenschaftler einen Trick: Sie schossen die Ionen durch eine Folie aus Graphen. Dann holt sich das Ion seine fehlenden Elektronen vom Graphen und verlässt die Folie als neutrales Atom. Durch die kontrollierte Neutralisation zerfällt der angeregte Kernzustand innerhalb weniger Mikrosekunden und gibt seine Energie an ein Elektron ab, das dadurch aus der Atomhülle herausgeschossen wird und wieder ein Thorium-Ion zurücklässt. Die kinetische Energie dieses Elektrons hängt von der Energie des angeregten Kernniveaus ab und kann dann mit einem Elektronenspektrometer vermessen werden. Die Interpretation der gemessenen Spektren ist allerdings anspruchsvoll, da das Elektron nur einen Teil der Kernanregungsenergie trägt und ein anderer Teil beim Thorium-Ion zurückbleibt. Die zu erwartenden Spektren konnten am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg vorhergesagt werden. In Zusammenarbeit mit den Kollegen aus Wien und Bonn ist es den Münchner Physikern dann gelungen, die Energie des Kernzerfalls zu bestimmen.
Kernanregung durch Laserstrahlen mit Wellenlänge von 150 Nanometern möglich
Aus diesen Informationen konnten die Wissenschaftler bestimmen, dass zur Anregung von Thorium-229 Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von rund 150 Nanometern benötigt werden. Auf Basis dieser Ergebnisse können nun erstmals für die Anregung von Thorium-229 geeignete Laser konstruiert und damit die Entwicklung einer Kernuhr entscheidend vorangetrieben werden. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass die Kernuhr etwa in der Grundlagenforschung zahlreiche Anwendungen haben wird, da sich manche Fragestellungen nur mithilfe extrem präziser Zeitmessungen beantworten lassen.
Die aktuellen Ergebnisse ebnen den Weg für neue Forschungsmöglichkeiten an der neuen Beschleunigeranlage FAIR, die gerade bei GSI entsteht. Thomas Stöhlker, stellvertretender Forschungsdirektor und Leiter des Bereichs Atomphysik von GSI, sagt: "Diese genauere Energiebestimmung eröffnet exzellente Perspektiven für zukünftige Forschung an den Speicherringen der Anlage FAIR und ermöglicht Präzisionsstudien an Thorium-229 und seinem Isomer in höchsten Ladungszuständen durch dielektronische Rekombination."