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Atomuhren können Atomuhren als die genauesten Zeitmesser übertreffen


Nukleare Uhren könnten die GOAT sein: Die größte aller Zeitmesser.

Wenn Physiker sie bauen könnten, wären Nuklearuhren eine brandneue Art von Uhr, die die Zeit basierend auf der Physik der Atomherzen halten würde. Die genauesten Uhren von heute, Atomuhren genannt, beruhen auf dem Verhalten der Elektronen der Atome. Aber eine Uhr, die auf Atomkernen basiert, könnte die zehnfache Genauigkeit dieser Atomuhren erreichen, schätzen Forscher.

Bessere Uhren könnten Technologien verbessern, die von ihnen abhängig sind, wie die GPS-Navigation, sagte der Physiker Peter Thirolf am 3. Juni während eines Online-Meetings der American Physical Society Division of Atomic, Molecular and Optical Physics. Aber „es geht nicht nur um die Zeitmessung.“ Im Gegensatz zu den Elektronen von Atomen unterliegen Atomkerne der starken Kernkraft, die Protonen und Neutronen zusammenhält. „Eine nukleare Uhr sieht einen anderen Teil der Welt“, sagt Thirolf von der Ludwig-Maximilians-Universität München. Das bedeutet, dass Kernuhren neue Tests grundlegender Ideen in der Physik ermöglichen könnten, einschließlich der Frage, ob vermeintlich unveränderliche Zahlen in der Physik, die als Fundamentalkonstanten bekannt sind, tatsächlich konstant sind.

Atomuhren zählen die Zeit anhand der Energiesprünge der Elektronen der Atome. Laut Quantenphysik können Elektronen in Atomen nur bestimmte Energiemengen in bestimmten Energieniveaus tragen. Um Elektronen in einem Atom von einem Energieniveau auf ein anderes zu stoßen, müssen die Atome einer Atomuhr mit Laserlicht der genau richtigen Frequenz getroffen werden. Diese Frequenz – die Schwingungsrate der elektromagnetischen Wellen des Lichts – dient als hochpräziser Zeitmesser.

Wie die Elektronen in einem Atom nehmen auch die Protonen und Neutronen innerhalb von Atomkernen diskrete Energieniveaus ein. Nukleare Uhren würden auf Sprüngen zwischen diesen nuklearen Energieniveaus basieren und nicht auf denen von Elektronen. Insbesondere sind Kerne resistent gegen die Auswirkungen von elektrischen oder magnetischen Streufeldern, die Atomuhren behindern können. Im Ergebnis wären Kernuhren „stabiler und genauer“, sagt die theoretische Physikerin Adriana Pálffy von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

Aber es gibt ein Problem. Um die Zeit mit Kernen zu messen, müssen Wissenschaftler in der Lage sein, den Sprung zwischen den Kernenergieniveaus mit einem Laser auszulösen. „Nukleare Ebenen sind mit Lasern normalerweise nicht zugänglich“, sagte die theoretische Physikerin Marianna Safronova von der University of Delaware in einem Vortrag am 2. Juni auf dem Treffen. Für die meisten Kerne würde dies Licht mit höherer Energie erfordern, als geeignete Laser erreichen können. Glücklicherweise gibt es bei allen bekannten Kernen eine einzige Ausnahme, sagte Safronova, „ein Naturfreak“. Eine Vielzahl von Thorium namens Thorium-229 hat ein Paar von Energieniveaus, die in der Energie nahe genug sind, dass ein Laser möglicherweise den Sprung auslösen könnte.

Jüngste Messungen haben die Energie dieses Sprungs genauer bestimmt, ein entscheidender Schritt zum Bau einer Thorium-Kernuhr. Thirolf und Kollegen schätzten die Energie, indem sie die emittierten Elektronen messen, wenn der Kern zwischen den beiden Ebenen springt, wie in . berichtet Natur im Jahr 2019. Und in einem 2020-Papier in Physische Überprüfungsschreiben, haben der Physiker Andreas Fleischmann und Kollegen andere Energiesprünge gemessen, die der Thoriumkern machen kann, und sie subtrahiert, um die Energie des nuklearen Uhrsprungs abzuleiten.

Mikroskopaufnahme von Detektoren
Eine Reihe hochempfindlicher Detektoren (dargestellt in einer Falschfarben-Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme) maß die Energie des Lichts, das emittiert wird, wenn Thorium-229-Atome zwischen den Energieniveaus sprangen. Diese Messungen ermöglichten es Andreas Fleischmann und Kollegen, die Energie des Sprungs abzuschätzen, mit der Physiker eine nukleare Uhr bauen wollen.Matthäus Krantz

Die Teams sind sich einig, dass der Sprung eine Energie von etwas mehr als 8 Elektronenvolt hat. Diese Energie entspricht ultraviolettem Licht in einem Bereich, für den das Auslösen des Sprungs mit einem Laser möglich ist, jedoch am Rande der Möglichkeiten der Wissenschaftler.

Da Physiker nun die Größe des Energiesprungs kennen, wollen sie ihn mit Lasern auslösen. Auf dem Treffen berichtete der Physiker Chuankun Zhang vom Forschungsinstitut JILA in Boulder, Colorado, über Versuche, einen Frequenzkamm (SN: 10/5/18) – eine Methode zur Erzeugung einer Reihe diskreter Frequenzen von Laserlicht – um den Sprung einzuleiten und seine Energie noch besser zu messen. „Wenn es ein Erfolg ist, können wir daraus direkt eine nuklearbasierte optische Uhr bauen“, sagte er bei dem Treffen. Thirolfs Team arbeitet auch mit Frequenzkämmen, um innerhalb der nächsten fünf Jahre eine funktionierende nukleare Uhr zu erreichen.

Unterdessen prüft Pálffy die Verwendung einer sogenannten „elektronischen Brücke“. Anstatt einen Laser zu verwenden, um direkt einen Energiesprung durch den Kern zu initiieren, würde der Laser zuerst die Elektronen anregen, die dann Energie auf den Kern übertragen würden, berichtete Pálffy bei dem Treffen.

Nukleare Uhren könnten es Forschern ermöglichen, neue Tests zu entwickeln, um festzustellen, ob grundlegende Konstanten der Natur im Laufe der Zeit variieren. Einige Studien haben beispielsweise vorgeschlagen, dass sich die Feinstrukturkonstante, eine Zahl, die die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkungen bestimmt, ändern könnte (SN: 11/2/16). „Diese nukleare Uhr ist ein perfektes System, um nach Variationen fundamentaler Konstanten zu suchen“, sagte Victor Flambaum von der University of New South Wales in Sydney bei dem Treffen. Die Geräte könnten auch eine Grundlage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie testen, die als Äquivalenzprinzip bezeichnet wird (SN: 12/4/17). Oder sie könnten nach dunkler Materie suchen, schwer fassbaren unentdeckten Teilchen, von denen Physiker glauben, dass sie den größten Teil der Materie des Universums ausmachen, was das Ticken der Uhr verändern könnte.

Das Potenzial von Nuklearuhren ist so vielversprechend, dass Fleischmann von der Universität Heidelberg nur einen Augenblick brauchte, um sich mit dem Dilemma, wie Wissenschaftler eine Nuklearuhr bauen könnten, zu befassen, sagt er. Es sei „von der ersten Sekunde an klar gewesen, dass dies eine Frage ist, an der man arbeiten sollte“.

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