Europäisches Forschungskonsortium mit Beteiligung des MPL strebt Durchbruch in der Atomkernuhren-Technologie an
Eine kompakte „Kernuhr“ auf der Basis von Thorium-229 zu entwickeln und damit eine radikal neue Art ultrapräziser Zeit- und Frequenzreferenz zu erforschen: Dafür hat ein neues europäisches Forschungskonsortium im Rahmen der QuantERA-Ausschreibung Fördermittel erhalten. Auch das Team von Pascal Del’Haye, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), ist ein wesentlicher Teil des Projekts mit dem Namen ResonaTHOR – Resonator-basierte nuklear-optische Frequenzreferenz.
Die moderne Gesellschaft ist auf präzise Zeitangaben angewiesen. Mobilfunknetze, Navigationssysteme, Rechenzentren, Stromnetze, Hochfrequenzhandel und sichere Kommunikation stützen sich alle auf synchronisierte Uhren. In vielen Fällen wird diese Synchronisation durch satellitengestützte Zeitsignale wie GPS oder andere globale Navigationssatellitensysteme gewährleistet. Diese Signale können durch technische Ausfälle, Störsignale oder Manipulationen beeinträchtigt werden. Kompakte, hochstabile lokale Uhren könnten daher kritische Infrastrukturen widerstandsfähiger machen, indem sie eine genaue Zeitmessung gewährleisten, wenn externe Signale nicht verfügbar oder unzuverlässig sind.
ResonaTHOR zielt darauf ab, einen wichtigen Schritt in diese Richtung zu machen, indem es den Atomkern von Thorium-229 nutzt. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Atomuhren, die Übergänge in den das Atom umgebenden Elektronen nutzen, nutzt eine Kernuhr einen Übergang im Kern selbst. Dieser Kernübergang dürfte außergewöhnlich stabil und weniger empfindlich gegenüber vielen Umgebungsstörungen sein. Thorium-229 ist einzigartig, da sein Kernübergang grundsätzlich mit Laserlicht angeregt werden kann, was es zu einer vielversprechenden Grundlage für einen neuen Frequenzstandard macht.
Das größte Hindernis besteht darin, dass Thorium-229-Kerne nur sehr schwach mit Licht wechselwirken. Dies erschwert es, sie effizient anzuregen und auszulesen. ResonaTHOR wird diese Herausforderung angehen, indem Thorium-229 in winzige optische Resonatoren eingebracht wird, die als ›Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren‹ bekannt sind. Diese Strukturen fangen Licht ein, sodass es viele Male um den Resonator zirkuliert, ähnlich wie ein Flüstern, das durch das Gewölbe einer Kathedrale wandert. Das Licht wird dazu gebracht, wiederholt mit den Thoriumkernen zu interagieren. Dadurch soll das Signal stark verstärkt und gleichzeitig die benötigte Menge an radioaktivem Material sowie die erforderliche Laserleistung reduziert werden.
Das Konsortium wird zwei sich ergänzende Ansätze verfolgen: die Implantation von Thorium-229 in hochwertige kristalline Resonatoren und die Herstellung von Resonatoren direkt aus thoriumdotierten Kristallen. Zudem werden Laserkonzepte untersucht, die einige der komplexesten Aspekte heutiger Vakuum-Ultraviolett-Lasersysteme umgehen und damit den Weg für kleinere, robustere und letztendlich integrierte Geräte ebnen.
Europäische Wissenschaftler*innen arbeiten unter der Leitung der TU Wien zusammen
Jedes Mitglied des Forschungskonsortiums leistet einen eigenständigen und wesentlichen Beitrag. Das Team der TU Wien unter der Leitung von Thorsten Schumm koordiniert das Projekt und bringt seine weltweit führende Expertise in den Bereichen Thorium-229-Kernlaserspektroskopie, Kristallentwicklung, Laserinfrastruktur und Taktgeberintegration ein.
Das Team von Pascal Del’Haye am MPL ist für den Entwurf, die Herstellung und die Charakterisierung hochwertiger Resonatoren zuständig. Ebenfalls beteiligt sind das Institute of Science and Technology Austria (ISTA), die KU Leuven, die Universität Gent/imec und die Julius-Maximilians-Universität Würzburg.
Gemeinsam wollen die Partner die Kernuhrenforschung von den jüngsten Proof-of-Concept-Experimenten hin zu einer praktischen, kompakten und einsetzbaren photonischen Plattform vorantreiben. Im Erfolgsfall könnte ResonaTHOR dazu beitragen, eine neue Klasse von Quantentechnologien auf der Grundlage von Kernzuständen der Materie auf den Weg zu bringen: kompakte, robuste und extrem stabile optische Referenzen, die auch außerhalb hochspezialisierter Labore betrieben werden können.
Die Entwicklung dieser Technologie in Europa ist von strategischer Bedeutung. Der Bereich der Thorium-229-Kernuhren wurde stark von europäischen Gruppen vorangetrieben, und der nächste Schritt besteht darin, diese wissenschaftliche Führungsrolle in technologische Kompetenz umzusetzen. Durch die Kombination von Kernphysik, Materialwissenschaften, Photonik, Laserspektroskopie und Quantentheorie über mehrere europäische Institutionen hinweg wird ResonaTHOR die Position Europas in der Präzisionsmesstechnik und Quantentechnologie stärken und gleichzeitig die nächste Generation von Forschern in einem Bereich mit hohem wissenschaftlichem und industriellem Potenzial ausbilden.
Über QuantERA
QuantERA ist ein von der Europäischen Kommission unterstütztes, internationales Fördernetzwerk. Es vereint mehr als 40 Forschungsförderungsorganisationen aus über 30 Ländern. Mission von QuantERA ist es, ambitionierte, grenzüberschreitende Forschung in der Quantenwissenschaft und -technologie zu unterstützen.
