In einem bahnbrechenden Erfolg haben Forscher Laserlicht genutzt, um den Kern eines Thoriumatoms zum ersten Mal in der Geschichte auf einen höheren Energiezustand zu heben. Diese wissenschaftliche Leistung ebnet den Weg für eine neue Generation von Atomuhren, die eine unübertroffene Präzision versprechen und es uns möglicherweise ermöglichen, die grundlegendsten Kräfte des Universums zu erforschen.
Atomuhren, die genauesten bekannten Zeitmessgeräte, funktionieren nach einem faszinierenden Prinzip der Quantenphysik. Sie nutzen Atome, um die Zeit mit extremer Präzision zu messen, ähnlich einem Miniatur-Sonnensystem, in dem Elektronen um einen Kern kreisen. Wenn ein Elektron Energie von einem präzise abgestimmten Laser absorbiert, kann es zu einem höheren Energielevel 'springen' und beim Zurückfallen in seinen ursprünglichen Zustand ein Photon emittieren. Diese Emissionsfrequenz ist unglaublich stabil und liefert eine zuverlässige Zeitmessung.
Traditionelle Atomuhren haben jedoch Einschränkungen. Die Elektronen, auf die sie angewiesen sind, sind anfällig für äußere Störungen, wie etwa Streufelder, die ihre Energieniveaus subtil verändern und die Zeitmessung stören können. Hier kommen die Nukleuhren ins Spiel, die Energieübergänge innerhalb des Kerns selbst nutzen würden, um sich vor solchen Störungen zu schützen.
Historisch gesehen bestand die Herausforderung darin, dass die Energiedifferenzen zwischen den Nukleusniveaus deutlich größer sind als die der Elektronen, was die Verwendung von Lasern für diese Übergänge erschwert. In den 1970er Jahren identifizierten Wissenschaftler ein bestimmtes Isotop von Thorium, Thorium-229, das in dem Bereich zu liegen schien, den Laserlicht anregen konnte. Die genaue Bestimmung der Energiedifferenz war jedoch eine große Hürde.
Nach Jahrzehnten der Forschung haben Wissenschaftler schließlich erfolgreich beobachtet, wie Thorium-229 diesen Energieübergang vollzieht und dabei eine präzise Energieänderung von 8,35574 Elektronenvolt demonstriert. Dies wurde mit Hilfe ausgeklügelter Techniken erreicht, um Thoriumatome in Calciumfluoridkristallen einzufangen und ideale Bedingungen zur Beobachtung zu schaffen.
Dieser Fortschritt stellt einen Sprung nach vorn in unserer Fähigkeit dar, die Geheimnisse des Universums mit beispielloser Genauigkeit zu erforschen. Die Beherrschung der Energieübergänge von Thorium-229 bringt uns näher an eine Ära, in der Nukleuhren nicht nur die Zeit messen, sondern auch grundlegende Fragen zu dunkler Energie und dunkler Materie aufklären könnten.
Veröffentlicht in der Zeitschrift Physical Review Letters, markiert diese Studie einen bedeutenden Meilenstein auf der Suche nach Präzision in der Zeitmessung und unserem Verständnis des Kosmos.