Seit über zwanzig Jahren verfolgen Physikerinnen und Physiker eine ungewöhnliche Idee: die Zeit nicht wie bisher aus den Elektronen eines Atoms zu gewinnen, sondern aus dessen Kern. Nun ist der Sprung von der Idee zum Gerät gelungen – gleich doppelt. Ein europäisches Team um Thorsten Schumm von der TU Wien, an dem auch Ekkehard Peik von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig beteiligt ist, und eine Gruppe um Shiqian Ding an der Tsinghua-Universität in Peking stellten unabhängig voneinander die ersten funktionierenden Kernuhren vor. Beide Arbeiten erschienen Anfang Juni als noch nicht begutachtete Vorabdrucke auf dem Server arXiv.

Das Herzstück beider Uhren ist dasselbe: ein millimetergroßer Kristall aus Calciumfluorid, in den Atome des Isotops Thorium-229 eingebettet sind. Thorium ist ein Sonderfall, weil die Energieniveaus seines Kerns so eng beieinanderliegen, dass bereits ultraviolettes Laserlicht den Kern in einen höheren Zustand heben kann. Anders als heutige Präzisionsuhren muss der Kristall dafür nicht nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt werden – er arbeitet bei Raumtemperatur.

Der entscheidende Regelkreis

Dass sich der Kern überhaupt anregen lässt, war bereits gezeigt worden. Was fehlte, war der Mechanismus, der aus einem Experiment eine echte Uhr macht: eine Rückkopplung, die den Laser dauerhaft auf der Kernfrequenz hält. Dazu pendelt der Laser fortwährend zwischen zwei Frequenzen knapp ober- und unterhalb der Resonanz. Werden beide gleich stark absorbiert, ist er richtig eingestellt; fällt die Absorption unterschiedlich aus, korrigiert die Uhr sich selbst. Im Wiener Aufbau lief das System 24 Stunden lang ohne äußeren Eingriff.

An die Stabilität der besten heutigen Atomuhren reicht die Kernuhr noch nicht heran: Nach dem Wiener Fachartikel verliert sie derzeit einige Dutzend Sekunden in zehn Milliarden Jahren. Zum Vergleich weicht eine Cäsium-Atomuhr, deren Elektronen exakt 9 192 631 770-mal pro Sekunde schwingen, an der PTB nur um rund eine Sekunde in 13 Milliarden Jahren ab. Doch beide Teams betonen, dass es sich erst um einen Machbarkeitsnachweis handelt, der noch nicht mit den besten Lasern optimiert wurde.

Der Reiz liegt gerade darin, was noch möglich ist. Weil Kerne kaum von ihrer Umgebung gestört werden, gelten Kernuhren als robust und kompakt – ein Weg zu tragbaren, hochgenauen Zeitmessern für Navigation und Kommunikation; erste kommerzielle Entwicklungen laufen bereits. Zugleich wird jede laufende Uhr zu einem dauerhaften Sensor, mit dem sich Grundfragen der Physik prüfen und etwa Hinweise auf Dunkle Materie suchen lassen. Für Schumm ist ein Traum wahr geworden; der Theoretiker Gilad Perez spricht von der „Geburt eines neuen Forschungsfeldes“.