9. Oktober 2026, TU Braunschweig: Forschende der TU Wien und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig haben einen Prototyp einer selbststabilisierenden Atomkernuhr entwickelt. Sie nutzt Atomkerne als Taktgeber und kommt für den stabilisierten Betrieb ohne zweite Atomuhr aus. Rechnerisch weicht sie etwa eine Sekunde in 30 Millionen Jahren ab. Das ist schon ziemlich nah an dem, was man sich von einer neuen Uhrenklasse erhofft – die besten optischen Atomuhren sind allerdings noch genauer.

Die Ergebnisse wurden in Nature veröffentlicht. Für die PTB ist das auch ein später Erfolg einer Idee, die dort bereits 2003 entstand: Der Physiker Ekkehard Peik und Christian Tamm schlugen damals das Konzept einer Thorium-Kernuhr vor. Rund 20 Jahre später war die Übergangsenergie präzise genug bestimmt, um den Kernübergang praktisch zu nutzen. Die PTB entwickelte das Lasersystem, während das Team um Thorsten Schumm an der TU Wien die benötigten Thoriumkristalle herstellte.

Ein Kern als Pendel

Im Zentrum steht das radioaktive Isotop Thorium-229. In seinen Atomkernen liegen zwei Energiezustände ungewöhnlich dicht beieinander. Deshalb reicht Vakuum-Ultraviolett-Licht aus: Der angeregte Kernzustand ist mit Laserlicht bei etwa 148 Nanometern erreichbar. Die meisten Atomkerne würden für vergleichbare Übergänge deutlich energiereichere Röntgen- oder Gammastrahlung benötigen.

Bei herkömmlichen Atomuhren springen Elektronen in der Atomhülle zwischen Energiezuständen. Die neue Uhr beobachtet dagegen einen Übergang im Atomkern. Der ist rund zehntausendmal kleiner als das gesamte Atom, deutlich schwerer als ein Elektron und durch die Elektronenhülle abgeschirmt. Elektrische und magnetische Felder oder Temperaturschwankungen setzen ihm daher weniger zu. Seine höhere Schwingungsfrequenz könnte zudem grundsätzlich kleinere Zeitintervalle ermöglichen.

Dafür wird ultraviolettes Laserlicht auf Thorium-229-Kerne in Calciumfluorid-Kristallen gerichtet. Das Material lässt die benötigte Strahlung durch und bettet die Kerne stabil ein. Beide unabhängig arbeitenden Forschungsteams setzten auf dieses Prinzip: Ein Team um Luca Toscani De Col und Thorsten Schumm stabilisierte einen kontinuierlichen Laser über den Kernübergang in einem millimetergroßen Calciumfluorid-Kristall. Ein zweites Team um Beichen Huang und Shiqian Ding koppelte ebenfalls die Laserfrequenz an das Kernsignal. Dass beide Gruppen den Übergang in laufenden Systemen nutzten, zeigt: Er ist nicht mehr nur spektroskopisch zu sehen, sondern kann als Taktgeber dienen.

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Rückkopplung statt zweiter Uhr

Die Laserenergie muss für die Anregung des Atomkerns auf etwa ein Millionstel eines Elektronenvolts genau eingestellt werden. Zunächst stabilisiert ein optischer Resonator die Frequenz. Der kann langfristig aber driften. Deshalb messen die Forschenden zusätzlich, wie stark die Thoriumkerne das Laserlicht absorbieren. Aus dieser Messung entsteht ein Korrektursignal, das die Laserfrequenz automatisch nachregelt.

Der Kristall gibt den Takt vor, der Laser folgt ihm. Seine Schwingungen werden elektronisch erfasst und für die Zeitmessung genutzt. Optischer Resonator und Lasersystem bleiben also notwendig, eine zweite Atomuhr für die laufende Stabilisierung nicht. Ein zweiter Laser überprüft fortlaufend, ob eine Anregung stattfindet; bleibt sie aus, wird der erste automatisch nachjustiert. Die stabilen Laserschwingungen sind dabei das „Pendel“ der Uhr.

Zur Kontrolle verglich das Team die Kernuhr mit einer optischen Uhr des österreichischen Metrologieinstituts BEV–PTP. Die Messungen ergaben eine relative Genauigkeit in der Größenordnung von 10⁻¹⁵. Das entspricht ungefähr einer Sekunde Abweichung in 30 Millionen Jahren. Die europäische Arbeitsgruppe erreichte eine Frequenzinstabilität, die sich über einen Tag in Richtung (10^{-15}) entwickelte.

Die Prototypen liefen 24 Stunden. Damit erreichen sie ungefähr das Niveau heutiger Atomuhren, etwa jener, die für die Satellitennavigation eingesetzt werden. Einen Genauigkeitsrekord stellen sie nicht auf: Eine 2024 berichtete chinesische Atomuhr kommt rechnerisch auf etwa eine Sekunde Abweichung in sieben Milliarden Jahren, eine Lutetium-Atomuhr von Forschern aus Singapur würde erst nach rund 55 Milliarden Jahren um eine Sekunde abweichen. Theoretisch könnten Kernuhren allerdings nochmals zehnmal präziser werden als die bislang genauesten Uhren.

Vom großen Labortisch zum Kristall

Im April 2024 wiesen die Forschungsteams erstmals nach, dass sich Thoriumkerne gezielt mit Laserlicht anregen lassen. Wenige Monate später verglich ein Team des JILA in Boulder gemeinsam mit der TU Wien die Kernresonanz erstmals mit einer optischen Atomuhr. Für einen eigenständig stabilisierten Betrieb war das damalige System noch nicht geeignet: Es beanspruchte mehrere Quadratmeter auf optischen Tischen, arbeitete mit kurzen Lichtpulsen und lieferte die Reaktion der Atomkerne nur verzögert.

Der entscheidende Schritt kam mit einem kompakteren Festkörperlaser, den die PTB gemeinsam mit dem Max-Born-Institut in Berlin entwickelte und im Dezember 2025 vorstellte. Er sendet kontinuierlich ultraviolettes Licht aus. Dadurch lässt sich die Absorption der Thoriumkerne direkt messen. Zuvor mussten die Forschenden den Laser nach der Anregung abschalten und mehrere Minuten das schwache Nachleuchten der Kerne beobachten. Jetzt entsteht unmittelbar ein Messsignal für die laufende Korrektur der Laserfrequenz. Für die Versuche wurden das PTB-Lasersystem und die in Wien hergestellten Kristalle kombiniert.

Festkörper mit vielen Thoriumkernen liefern ein stärkeres Signal als einzelne Ionen. Dafür bringt der Kristall zusätzliche systematische Einflüsse mit sich. Je nachdem, welcher Bereich durchstrahlt wird, können sich die gemessenen Resonanzfrequenzen unterscheiden. Exakt dieselbe Frequenz bei wiederholten Messungen zu reproduzieren, ist deshalb schwierig. Laserrauschen, Kristallqualität, Temperaturkontrolle und Detektionsverfahren bleiben wichtige Baustellen.

Die beiden Arbeiten zur laufenden Umsetzung wurden auf arXiv veröffentlicht: „A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop“, doi: 10.48550/arXiv.2606.04997, sowie „A nuclear clock based on 229Th“, doi: 10.48550/arXiv.2606.08870. Zeitgleich meldete auch ein Forschungsteam aus China einen entsprechenden Erfolg. Beide Systeme gelten noch nicht als fertige Uhren für Satellitennavigation, Telekommunikation oder amtliche Zeitnormale.

Wofür die Uhr einmal gut sein könnte

Präzise Zeitmessung steckt in der Satellitennavigation, in Telekommunikationsnetzen und in der Synchronisierung großer technischer Systeme. Kleine Zeitfehler können sich bei der Positionsbestimmung bemerkbar machen. Ob die neue Uhr dort tatsächlich eingesetzt werden kann, ist offen. Zunächst ist sie vor allem für die Grundlagenforschung interessant – und für die Frage, ob physikalische Naturkonstanten wirklich unveränderlich sind.

Auch Dunkle Materie kommt ins Spiel. Theoretische Modelle sagen voraus, dass ultraleichte Dunkle Materie Frequenzen atomarer oder nuklearer Übergänge geringfügig verändern könnte. Das Team suchte deshalb nach periodischen Schwankungen und langsamen Veränderungen der Kernübergangsenergie, und zwar über Zeiträume von 20 Sekunden bis zu einem Tag. Ein Nachweis wurde nicht gefunden. Die Messungen schränkten jedoch bestimmte theoretische Modelle weiter ein; die erreichte Empfindlichkeit ist für künftige Tests interessant.

Langfristig könnten Nuklearuhren außerdem Zeitmessung, Geodäsie, Navigation und weitere Bereiche der Grundlagenphysik unterstützen. Ihre Kerne sitzen fest im Kristallgitter und müssen nicht wie einzelne Atome oder Ionen aufwendig festgehalten werden. Das könnte die Technik kompakter und robuster machen als optische Atomuhren. Thorsten Schumm hält sogar eine Verkleinerung auf Schuhkarton- oder Streichholzschachtelgröße für möglich.

Bis dahin braucht es leistungsfähigere Laser und optimierte, reinere Kristalle. Der Prototyp zeigt zunächst, dass sich eine Atomkernuhr über längere Zeit selbstständig stabilisieren lässt. Ob sie irgendwann genauer, kleiner und robuster als optische Atomuhren wird, sollen weitere Versuche klären. Noch stehen die Apparaturen in großen Laboren, mit Kabeln, Optiken und ziemlich viel Geduld – aber der Kern tickt bereits mit.