Atome oder Moleküle mit Lasern zu manipulieren, also von einem Zustand in einen anderen wechseln zu lassen – das ist schon seit längerer Zeit möglich. Auf diesem Prinzip beruhen viele Präzisionsmesstechniken, etwa Atomuhren.
Atomkerne mit Lasern manipulieren
Diese Techniken auf Atomkerne anzuwenden, hielt die Forschungsgemeinde bisher aber für nicht machbar. Zwar können auch Atomkerne unterschiedliche Quantenzustände annehmen, aber dafür "ist normalerweise viel mehr Energie nötig", wie Thorsten Schumm von der TU Wien erklärt.
Dabei sind Atomkerne eigentlich viel besser für Präzisionsmessungen geeignet als Atome. Sie sind viel kleiner und daher weniger anfällig für Störungen von außen, wie etwa elektromagnetische Felder.
Thorium als wohl einzige Möglichkeit
Weil damit Messungen mit bisher unerreichter Genauigkeit möglich wären, haben Forscher:innen den Versuch nie aufgegeben, eine solche Möglichkeit zu finden. Seit den 1970er-Jahren wird angenommen, dass es mit Thorium-229 doch einen speziellen Atomkern geben könnte, der sich mit einem Laser manipulieren ließe.
Um den Übergang zum benachbarten Energiezustand herbeiführen zu können, muss "man die Energie des Übergangs extrem genau kennen", so Schumm. Diesen Thorium-Übergang exakt zu bestimmen, galt bisher als Suche nach einer Nadel im Heuhaufen.
Thorium-Übergang: TU Wien gelingt Durchbruch
An der TU Wien haben Forscher:innen jetzt aber einen Weg gefunden – und zwar mittels eigens entwickelter Kristalle. Darin wurde eine große Zahl Thorium-Atome eingebaut. Dadurch konnten mit nur einem Laser rund zehn hoch siebzehn Thorium-Kerne getroffen werden – "millionenfach mehr als es Sterne in unserer Galaxie gibt", so der Fabian Schaden von der TU Wien, der die Kristalle entwickelt hat.
Ende November 2023 wurde die Energie des gesuchten Thorium-Übergangs dann tatsächlich exakt getroffen. Nach Überprüfung und Auswertung der Daten haben die Wiener Forscher:innen ihr Ergebnis jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. An den Untersuchungen war übrigens auch ein Team der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig beteiligt.
Bau von Atomkern-Uhren als Ziel
Auf Grundlage dieses Durchbruchs sind jetzt deutlich präzisere, ja bisher unmögliche physikalische Messungen machbar. Eines der wichtigen Ziele ist etwa der Bau einer Atomkern-Uhr. Laut Schumm wäre die "noch einmal deutlich genauer als die besten Atomuhren".
Außerdem könnten viele weitere physikalische Größen viel präziser gemessen werden als bisher. So könnte man im Gravitationsfeld der Erde Hinweise auf Bodenschätze oder Erdbeben finden. Zudem könnten fundamentale Rätsel der Physik gelöst werden, etwa die Frage, ob die Naturkonstanten wirklich konstant sind oder sich vielleicht im Lauf der Zeit doch winzige Änderungen ergeben.
Messmethode ist erst der Anfang
Schumm dazu: "Unsere Messmethode ist erst der Anfang". Noch ließe sich gar nicht abschätzen, welche Ergebnisse man damit erzielen wird. Aber: "Spannend wird es ganz sicher", so der Forscher.