Tolle Neuigkeiten! Wer genau ist diese Atomuhr, die Gerüchten zufolge „den Nobelpreis reserviert“ hat?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Huadong (PhD in Theoretischer Physik)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Vielleicht wäre außer den Physikern niemand so besessen davon, „eine Sekunde“ zu definieren.

Am 4. September 2024 veröffentlichte das Magazin Nature ein Titelpapier mit dem Titel „Nuclear transitions of thorium-229m isomers and frequency ratios of strontium-87 atomic clocks“.

Naturschutz

(Bildquelle: Nature)

Am selben Tag veröffentlichte die offizielle Website des Magazins Science einen Kommentarartikel, in dem die Errungenschaft als „Durchbruch, der ultrapräzise Atomuhren in eine neue Ära führen dürfte“ bezeichnet wurde. Einige Internetnutzer behaupteten sogar, dass der Autor des Artikels, Ye Jun (Team) von der University of Colorado, aufgrund dieser Leistung in Zukunft voraussichtlich den Nobelpreis für Physik erhalten wird.

Welche Art von Forschung können also die beiden Top-Journale „Nature“ und „Science“ gemeinsam empfehlen? Was ist diese „Atomuhr“? Welchen Unterschied kann es für die Definition von „einer Sekunde“ machen?

Wie definiert man „eine Sekunde“, 1/86400 eines Tages?

In den Augen der Öffentlichkeit ist eine Sekunde die Zeit, die der Sekundenzeiger einer Uhr benötigt, um sich durch ein Raster zu bewegen. Wenn es 60 Felder zurücklegt, vergeht eine Minute; wenn es 3.600 Quadrate zurücklegt, vergeht eine Stunde; Wenn er 86.400 Quadrate zurücklegt, vergeht ein Tag.

Alles erscheint so natürlich, denn so dreht und kreist die Erde nun einmal – nach einem Tag steht die Sonne wieder an derselben Stelle – genau so lang sind 86.400 Sekunden.

Da sich die Erde um die Sonne dreht, muss der Ort A, der an diesem Tag direkt der Sonne ausgesetzt ist, warten, bis sich die Erde um einen bestimmten Winkel (4 Minuten) gedreht hat, bevor er nach einer Erdumdrehung (23 Stunden und 56 Minuten, ein siderischer Tag) wieder direkt der Sonne ausgesetzt sein kann. Die Gesamtzeit beträgt 24 Stunden (ein Sonnentag).

(Bildquelle: Renaissance Universal)

Das Problem besteht jedoch darin , dass es aufgrund von Faktoren wie Gezeiteneffekten, Änderungen der Sonnenmasse und der Schwerkraft anderer Himmelskörper durchaus Änderungen in der Rotations- und Umlaufzeit der Erde gibt, auch wenn diese nur äußerst gering sind.

Die „Länge einer Sekunde“, die Menschen in „Tagen“ definieren, scheint nicht immer so lang zu sein.

Im 20. Jahrhundert entdeckten die Physiker, getragen vom Ostwind der Wissenschaft, die sich vom Makro- zum Mikrobereich und vom klassischen zum Quantenbereich bewegte, dass es in der Natur eine Super-„Uhr“ gibt, die weitaus stabiler ist als die Bewegung der Himmelskörper.

Obwohl die durch sie definierte Sekunde – das 9.192.631.770-fache der Periode der elektromagnetischen Welle, die abgestrahlt wird, wenn ein Cäsium-133-Atom in seinem Grundzustand zwischen zwei Hyperfeinenergieniveaus übergeht – für normale Menschen so schwer zu verstehen ist, dass sie fast wie eine „Vogelsprache“ klingt, ist sie für Physiker zu einem wirkungsvollen Werkzeug geworden, um die Eigenschaften von Raum und Zeit zu untersuchen.

Denn wer würde nicht gern die durch die Erde verursachte Gravitationsrotverschiebung aus nächster Nähe messen?

[Lesetipps: Gravitationsrotverschiebungsphänomen]

Unter Gravitationsrotverschiebung versteht man das Phänomen, dass aufgrund der Existenz eines Gravitationsfelds die Frequenz von Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung, die von einem Gravitationsfeld ausgesandt wird, abnimmt und die Wellenlänge länger wird, wenn sich die Strahlung vom Gravitationsfeld wegbewegt und sich dadurch in Richtung des roten Endes des Spektrums verschiebt. Es ist eines der Phänomene, die in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurden. Wenn eine Gravitationsrotverschiebung beobachtet werden kann, wäre dies eine starke Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie.

Da das Gravitationsfeld der Erde jedoch relativ schwach ist, ist der Rotverschiebungseffekt im Nahbereich sehr gering. Unter Laborbedingungen ist es selbst mit sehr präzisen Instrumenten schwierig, solche winzigen Veränderungen festzustellen. Daher ist dies auch ein Problem, das viele Wissenschaftler zu lösen versuchen.

Atomuhren und optische Uhren sind genauer! Aber das genaueste?

Am 17. Februar 2022 hieß es im Titelpapier der Zeitschrift Nature mit dem Titel „Auflösung der Gravitationsrotverschiebung anhand einer Atomprobe im Millimetermaßstab“, dass selbst bei einem Höhenunterschied von nur 1 mm der Unterschied im Zeitablauf gemessen werden könne.

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Der Autor des Artikels, Ye Juns Team von der University of Colorado, maß die Übergangsfrequenz eines 1 mm dicken Strontium-87-Clusters (etwa 100.000 Atome) und stellte fest, dass sich die Übergangsfrequenz der oberen und unteren Atome um etwa ein Billionstel eines Teils unterschied.

Dieser Wert bedeutet, dass in 300 Milliarden Jahren die Atome in der oberen Schicht eine Sekunde länger atmen werden als die Atome in der unteren Schicht. Dies ist das erste Mal, dass Menschen den von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Gravitations-Rotverschiebungseffekt auf einer Millimeterskala bestätigt haben.

Je höher das Atom ist, desto stärker ist die Gravitationsrotverschiebung und desto länger/schneller dauert es

(Bildquelle: Wikipedia)

Die Prämisse dabei ist, dass die Definition der Zeiteinheit „eine Sekunde“ präzise genug ist, um auch kleinste Zeitunterschiede erkennen zu können.

Wie bereits erwähnt, beträgt die Periodendauer der elektromagnetischen Welle (Mikrowelle), die beim Übergang des Cäsium-133-Atoms zwischen zwei Hyperfeinenergieniveaus abgestrahlt wird, 9.192.631.770 Mal eine Sekunde. Basierend auf der Übergangsfrequenz von Cäsium-133 kann auch das von Ye Juns Team verwendete Strontium-87 zur Definition verwendet werden:

Eine Sekunde entspricht dem 429.228.004.229.873,4-fachen der Periode der elektromagnetischen Welle (sichtbares Licht), die vom Strontium-87-Atom abgestrahlt wird, wenn es zwischen den Energieniveaus 5s² ¹S₀ und 5s5p ³P₀ wechselt.

Dies scheint komplizierter zu sein, aber Sie müssen sich darüber nicht allzu viele Gedanken machen. Sie müssen nur wissen, dass Elektronen in Atomen elektromagnetische Wellen freisetzen, wenn sie zwischen verschiedenen Energieniveaus wechseln. Die Frequenz elektromagnetischer Wellen hängt nur mit den Energieniveaus der Anfangs- und Endzustände des Übergangs zusammen. Es ist äußerst stabil und daher für Physiker die erste Wahl zur Zeitmessung.

Wenn Elektronen zwischen verschiedenen Energieniveaus springen, geben sie elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz (Energie) ab.

(Bildquelle: Wikipedia)

Wenn die von den im Zeitmessgerät verwendeten Atomen während des Übergangs freigesetzten elektromagnetischen Wellen im Mikrowellenbereich liegen, handelt es sich um eine Atomuhr. Wenn die während des Übergangs freigesetzten elektromagnetischen Wellen im sichtbaren Lichtband liegen, handelt es sich um eine optische Uhr.

Theoretisch sind optische Uhren genauer als Atomuhren, da die von ihnen ausgesendeten elektromagnetischen Wellen höhere Frequenzen und schmalere Linienbreiten aufweisen.

Eine hohe Frequenz bedeutet, dass mehr Zyklen pro Zeiteinheit gemessen werden können und somit die Dauer eines einzelnen Zyklus genauer bestimmt werden kann. Eine schmale Linienbreite bedeutet weniger Unsicherheit hinsichtlich der Frequenz, was die Genauigkeit der definierten Zeit weiter verbessert.

Darstellung von Periode, Frequenz und Bandbreite

Es scheint, dass sogar Uhren mit derselben Quantenskala unterschiedliche Leistungen erbringen können, ganz zu schweigen davon, dass externe Faktoren wie Magnetfelder, Temperatur und Vibration diese Unterschiede verstärken.

Gibt es also ein stabileres Tool, das weniger empfindlich auf die Außenwelt reagiert und „eine Sekunde“ genauer definieren kann?

haben! Das ist die Atomuhr.

Was ist das Prinzip einer Kernuhr?

Bereits 1996 schlug der russische Physiker Eugene V. Tkalya die Idee vor, „nukleare Anregung“ als hochstabile Lichtquelle für die Zeitmessung zu verwenden.

Die sogenannte „Kernanregung“ ähnelt dem Vorgang, bei dem Elektronen außerhalb des Atomkerns nach der Aufnahme von Energie auf ein höheres Energieniveau springen und das Atom dadurch in einen angeregten Zustand versetzen. Auch der Atomkern selbst kann sich nach der Aufnahme spezifischer Energie in einem höheren Energiezustand befinden.

Der stimulierte Übergangsprozess von Elektronen außerhalb des Kerns

(Bildquelle: University of Rochester)

In ähnlicher Weise strahlen auch Atomkerne während des stimulierten Übergangsprozesses elektromagnetische Wellen einer bestimmten Energie ab.

Wenn die stimulierte Strahlung von Atomen zur Herstellung von Atomuhren und optischen Uhren verwendet werden kann, warum kann die stimulierte Strahlung von Atomkernen nicht zur Herstellung einer „Kernuhr“ verwendet werden?

Basierend auf dieser Idee begannen Wissenschaftler, die Machbarkeit von Kernuhren zu untersuchen. Nach und nach entdeckten sie, dass für die Herstellung von Kernuhren nur Thorium-229-Kerne benötigt werden, im Gegensatz zu den üblicherweise in Atom- und optischen Uhren verwendeten Cäsium-133- und Strontium-87-Kernen.

Denn abgesehen davon ist die Energie der Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus anderer Atomkerne zu hoch, was zur Folge hat, dass die Frequenz der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen zu hoch ist, um sie für die Zeitmessung zu verwenden.

Das am Anfang dieses Artikels und in der Arbeit von Ye Juns Team erwähnte „Thorium-229m-Isomer“ ist ein angeregter Zustand des Thorium-229-Kerns. Der Energieunterschied zwischen diesem und dem Grundzustand beträgt etwa 8,3557 eV und die entsprechende abgestrahlte elektromagnetische Welle liegt im ultravioletten Bereich.

Der niedrigste Energieniveauunterschied des Thorium-229-Kerns

(Bildquelle: Physics.net)

Dies ist eine höhere Frequenz als die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen in Atom- und optischen Uhren, liegt aber glücklicherweise innerhalb des Bereichs, den die Instrumente messen können. Daher kann theoretisch eine höhere Genauigkeit erreicht werden, wenn es zur Zeitmessung verwendet wird.

Darüber hinaus wird der Atomkern selbst im Vergleich zu den extranuklearen Elektronen im Atom weniger durch äußere Faktoren wie Magnetfelder und Wärmestrahlung beeinflusst. Das ist wie eine Person, die an einem windigen und regnerischen Tag einen Regenschirm hält. Bei einer Windböe (äußere Störung) muss der Schirm (Elektron) stärker wackeln als der Mensch (Atomkern).

Atomuhren weisen Zeitfehler (Frequenzänderungen) auf, nachdem sie Wärmestrahlung (roter Strahl) ausgesetzt wurden.

(Bildquelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt)

Daher stellen Kernuhren im Vergleich zu Atomuhren und optischen Uhren (die in einem Vakuum und einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt aufgestellt werden müssen) geringere Anforderungen an die Umgebung und sind stabiler.

An diesem Punkt wissen wir bereits, wie wichtig Kernuhren im Bereich der Präzisionsmessung sind. Aber andererseits: Wie stark ist es?

Theoretisch kann seine Genauigkeit 10⁻¹⁹ erreichen, was etwa 10-mal genauer ist als die beste derzeit erhältliche optische Uhr.

Was ist das Konzept? 300 Milliarden Jahre, keine Sekunde daneben!

Großer Durchbruch: Kommt endlich die Atomuhr?

Im Experiment von Ye Juns Team wurden Calciumfluorid-Einkristalle (CaF₂) mit Thorium-229 in einer Dotierungskonzentration von 5×10¹⁸/cm³ dotiert, was bedeutet, dass jeder Kubikzentimeter des Kristalls 500 Billionen Thorium-229-Atome enthält.

Um die Thorium-229-Atome anzuregen, bestrahlten sie den Kristall mit einem Vakuum-Ultraviolett-Laser (VUV-Laser). Wenn die Fluoreszenz aufblitzte, bedeutete dies, dass die Anregung erfolgreich war (Eintritt in den Thorium-229m-Zustand).

Anschließend werden die emittierten Fluoreszenzphotonen mithilfe von Filtern (zum Herausfiltern des Hintergrundlichts) und Photomultiplier-Röhren gesammelt und ihre Frequenzen gemessen.

Schematische Darstellung und aktuelle Fotos des Versuchsgeräts

(Bildquelle: Ye Juns Teampapier)

Das gesamte Experiment wurde in einer Umgebungstemperatur von 151 K kontrolliert, was etwa minus 122 Grad Celsius entspricht. Dies ist offensichtlich viel einfacher zu handhaben als der für Atom- und optische Uhren erforderliche absolute Nullpunkt, der bei etwa minus 273 Grad Celsius liegt.

Schließlich maß Ye Juns Team die Strahlungsfrequenz des Thorium-229-Kernübergangs mit 2 020 407 384 335(2) kHz und ihr Verhältnis zur Strahlungsfrequenz des Strontium-87-Atomübergangs mit etwa 4,7.

Dies bedeutet, dass wir, wenn wir weiterhin die atomare Übergangsfrequenz von Cäsium-133 als Maßstab verwenden, aber eine Sekunde basierend auf der nuklearen Übergangsfrequenz von Thorium-229 definieren, Folgendes erhalten:

Eine Sekunde entspricht dem 2.020.407.384.335.000-fachen der Periode der elektromagnetischen Welle (Ultraviolettlicht), die vom Thorium-229-Kern beim Übergang zwischen den Grundzuständen Thorium-229m und Thorium-229 abgestrahlt wird!

Natürlich ist dieses Ergebnis noch sehr fehlerbehaftet und kann nicht für eine offizielle Definition verwendet werden. Dennoch hat Ye Juns Team die Genauigkeit der Kernuhr im Vergleich zur Vergangenheit um etwa sechs Größenordnungen verbessert und den Wert von 10⁻¹² erreicht.

Obwohl wir also den von der Theorie vorhergesagten Endpunkt noch nicht erreicht haben – wie das Magazin Science sagte, werden die Leistungen von Ye Juns Team voraussichtlich eine neue Ära für ultrapräzise Kernuhren einleiten –, ist dies eher „hoffnungsvoll“ als „bereits“ und unabhängig davon, ob er in Zukunft mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wird – kann man dennoch von einem großen Schritt nach vorne sprechen!

Ende

Die Uhren, die wir zu Hause verwenden, sind völlig ausreichend, auch wenn sie in zwei Tagen eine Abweichung von 1 Sekunde haben; Die Rubidium-Atomuhren der Beidou-Satelliten haben einen Fehler von 1 Sekunde in 3 Millionen Jahren, was ebenfalls genau genug ist.

Für den Normalbürger gibt es eigentlich keinen Unterschied zwischen Kernuhren, optischen Uhren und Atomuhren. Bis zum Untergang der Erde und dem Kollaps der Galaxie ist diese „Uhr“ weniger als eine Sekunde vom Ziel entfernt, was für das Leben jedoch völlig bedeutungslos erscheint.

Tatsächlich fällt es uns aus praktischer und utilitaristischer Sicht schwer, die praktische Bedeutung des Strebens nach einer präziseren Zeitmessung zu erklären.

Das ist etwa so, als würde man die Frage beantworten: „Welchen Sinn hat es, die Gravitationsrotverschiebung auf einer Skala von 1 mm zu überprüfen?“ und „Welchen Sinn hat es, die Frequenzstabilität (zukünftiger) Kernuhren für die Suche nach Dunkle-Materie-Teilchen zu nutzen?“

Ich möchte nicht ausweichend antworten: „Warten Sie auf zukünftige Bewerbungen.“ Denn meiner Meinung nach ist das Studium dieser Grundlagen oder der grundlegenden Fakten in Mathematik und Physik von größter Bedeutung für uns selbst, für die Entwicklung unseres Wissens.

Quellen:

1.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07839-6

2.https://www.science.org/content/article/breakthrough-promises-new-era-ultraprecise-nuclear-clocks

3.https://www.nature.com/articles/s41586-021-04349-7

4. https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock#Accuracy

5.https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_clock

6.https://arxiv.org/pdf/2109.12238

7.https://www.zhihu.com/question/666654065

8.https://arxiv.org/abs/2407.15924

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Dieser Artikel wurde von Science Popularization China Frontier Technology erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.