Thorium-229: Erstmals Atomkern mit Laser angeregt
Erstmals ist es einer Forschungsgruppe(öffnet im neuen Fenster) der Technischen Universität Wien und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) gelungen, einen Thorium-229-Atomkern(öffnet im neuen Fenster) gezielt mit einem Laser in einen Zustand höherer Energie zu versetzen und dann seine Rückkehr in den ursprünglichen Zustand genau zu verfolgen. Damit lassen sich die klassische Quantenphysik und die Kernphysik miteinander verbinden.
Wenn die Wellenlänge des Lasers exakt richtig gewählt ist, kann man Atome oder Moleküle von einem Zustand in einen anderen wechseln lassen. So kann man die Energien von Atomen oder Molekülen exakt vermessen – was heutzutage mittlerweile alltäglich ist, erklärt das Forschungsteam.
Die Herausforderung bei Atomkernen
Diese Technik auf Atomkerne anzuwenden, erschien jedoch lange Zeit unmöglich. "Doch um einen Atomkern von einem Zustand zum anderen wechseln zu lassen, ist normalerweise viel mehr Energie nötig – mindestens das Tausendfache der Energien, mit denen wir es bei Elektronen im Atom oder im Molekül zu tun haben" , erklärt Mitautor Thorsten Schumm (TU Wien) in einer Pressemitteilung.
Die Energie von Lasern reicht für die Manipulation der Atomkerne also nicht aus. Seit den 1970er-Jahren spekuliert die Fachwelt jedoch, dass sich der Kern von Thorium-229 dennoch manipulieren lässt. Dieser Kern weist zwei sehr eng benachbarte Energiezustände auf – so eng benachbart, dass ein Laser im Prinzip ausreichen sollte, um den Zustand des Atomkerns zu verändern.
"Das Problem ist, dass man die Energie des Übergangs extrem genau kennen muss, um den Übergang mit einem Laserstrahl herbeiführen zu können" , sagt Thorsten Schumm in einer Pressemitteilung(öffnet im neuen Fenster) . "Wenn man auf ein Elektronenvolt genau weiß, bei welcher Energie sich dieser Übergang befindet, dann nützt das wenig, wenn man ihn auf ein Millionstel Elektronenvolt genau treffen muss, um ihn nachzuweisen."
Erfolg durch thoriumhaltige Kristalle
Entscheidend dafür war die Entwicklung spezieller thoriumhaltiger Kristalle. "Wir entwickelten Kristalle, in denen Thorium-Atome in großer Anzahl gezielt eingebaut werden" , erklärt Fabian Schaden, der die Kristalle in Wien entwickelt und gemeinsam mit dem Team der PTB vermessen hat.
Auf diese Weise konnten sie "rund zehn hoch siebzehn Thorium-Kerne gleichzeitig mit dem Laser treffen" , was dem Millionenfachen der Anzahl an Sternen in unserer Galaxie entspricht. Durch die hohe Anzahl der Thorium-Kerne wird der Effekt verstärkt, die nötige Messdauer wird verkürzt, die Wahrscheinlichkeit, den gesuchten Energie-Übergang tatsächlich zu finden, wird größer.
Der entscheidende Durchbruch
Genau das gelang dem Team am 21. November 2023. Die Energie des gesuchten Thorium-Übergangs wurde exakt getroffen und die Thorium-Kerne lieferten zum ersten Mal ein klares Signal: Der Laserstrahl hatte ihren Zustand gezielt umgeschaltet.
Mit diesem Durchbruch können neue Präzisionstechnologien und Atomkernuhren mit präziserer Zeitmessung entstehen. Außerdem könnte überprüft werden, ob die Naturkonstanten tatsächlich konstant sind oder sich in Raum und Zeit verändern.
Zur Studie
Die Forschungsergebnisse erscheinen am 29. April 2024 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters: Laser excitation of the Th-229 nucleus(öffnet im neuen Fenster) (Laseranregung des Th-229-Kerns).