Mit dem Laser angeregter Atomkern: bahnbrechender Durchbruch nach Jahrzehnten

• Physiker haben den seit Jahrzehnten gesuchten Thorium-229-Übergang erstmals direkt mit einem Laser angeregt und damit die experimentelle Grundlage für hochpräzise Technologien wie eine Kernuhr geschaffen
• Kernübergänge benötigen normalerweise mindestens 1.000-mal höhere Energien als Elektronenübergänge, doch Thorium-229 galt als außergewöhnlicher Kandidat, weil seine beiden Energiezustände sehr nahe beieinanderliegen
• Die Forschungsteams der TU Wien und der PTB untersuchten mit einem speziellen Kristall, der große Mengen an Thoriumatomen enthält, gleichzeitig etwa 10^17 Atomkerne und erhielten am 21. November 2023 ein klares Signal, als sie die Übergangsenergie exakt trafen
• Mit der Bestätigung der Übergangsenergie lässt sich nun der Prozess präzise verfolgen, bei dem der Atomkern in einen höheren Energiezustand versetzt wird und wieder zurückkehrt; damit eröffnet sich ein experimenteller Weg, der klassische Quantenphysik und Kernphysik verbindet
• Dieser Erfolg könnte zu grundlegenden Physikexperimenten führen, etwa mit Kernuhren, die noch genauer sind als die besten heutigen Atomuhren, zur Analyse von Gravitationsfeldern oder zur Überprüfung zeitlicher und räumlicher Veränderungen von Naturkonstanten

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Thorium-229-Übergang erstmals mit einem Laser ausgelöst

• Physiker haben den lange gesuchten Thorium-Übergang erstmals durch einen Laser in einen angeregten Zustand versetzt
• Da die Übergangsenergie nun genau bekannt ist, lässt sich der Prozess präzise verfolgen, bei dem der Atomkern in einen höheren Energiezustand überführt wird und in den ursprünglichen Zustand zurückkehrt
• Das Ergebnis wurde gemeinsam vom Forschungsteam um Thorsten Schumm an der TU Wien und dem Team des National Metrology Institute Braunschweig (PTB) erzielt und in Physical Review Letters veröffentlicht
• Die zentrale Leistung ist die erste gezielte Laseranregung eines Atomkerns

Warum Atomkerne schwer zu kontrollieren sind

• Atome oder Moleküle können von einem Quantenzustand in einen anderen wechseln, wenn die Wellenlänge eines Lasers exakt abgestimmt wird
  • Das wird heute in Atomuhren, der chemischen Analyse und zur Speicherung atomarer und molekularer Informationen in Quantencomputern genutzt
• Auch Atomkerne können zwischen verschiedenen Quantenzuständen wechseln, doch die dafür benötigten Energien sind in der Regel viel höher
  • Für den Übergang eines Atomkerns wird normalerweise mindestens 1.000-mal mehr Energie benötigt als für Elektronen in Atomen oder Molekülen
  • Mit der Energie gewöhnlicher Laserphotonen lassen sich Atomkerne daher nur schwer manipulieren
• Atomkerne sind viel kleiner als Atome oder Moleküle und daher weniger empfindlich gegenüber äußeren Störungen wie elektromagnetischen Feldern
  • Diese Eigenschaft macht sie prinzipiell für beispiellos genaue Präzisionsmessungen geeignet

Die Suche nach der Übergangsenergie war wie die Nadel im Heuhaufen

• Seit den 1970er-Jahren gab es die Vermutung, dass Thorium-229 ein besonderer Atomkern sein könnte, der sich mit Lasern manipulieren lässt
• Bei Thorium-229 liegen zwei Energiezustände sehr nahe beieinander, sodass ein Laser prinzipiell ausreichen könnte, um den Kernzustand zu verändern
• Um den Übergang auszulösen, muss die Übergangsenergie extrem genau bekannt sein
  • Es reicht nicht, die Übergangsenergie auf dem Niveau von 1 Elektronenvolt zu kennen
  • Um den Übergang nachzuweisen, muss auf eine Genauigkeit von etwa einem Millionstel Elektronenvolt abgestimmt werden
• Das Forschungsteam verglich diese Suche mit der Suche nach einer Nadel im Heuhaufen oder nach einer kleinen Schatzkiste, die auf einer kilometerlangen Insel vergraben ist

Wie ein spezieller Kristall das Signal verstärkte

• Einige Forschungsteams versuchten, Thoriumkerne einzeln in elektromagnetischen Fallen festzuhalten und zu untersuchen, doch das Team der TU Wien entwickelte einen speziellen Kristall mit vielen Thoriumatomen
  • An der Entwicklung des Kristalls und an den Messungen waren Fabian Schaden und das PTB-Team beteiligt
  • Das ist technisch komplex, erlaubt aber die gleichzeitige Untersuchung sehr vieler Atomkerne statt einzelner Kerne
• Der Laser zielte gleichzeitig auf etwa 10^17 Thorium-Atomkerne
  • Das sind etwa eine Million Mal mehr als die Sterne in unserer Galaxie
  • Die große Zahl an Kernen verstärkt den Effekt, verkürzt die benötigte Messzeit und erhöht die Wahrscheinlichkeit, den tatsächlichen Übergang zu finden
• Am 21. November 2023 traf das Forschungsteam die richtige Energie des Thorium-Übergangs exakt und erhielt erstmals ein klares Signal aus dem Atomkern
  • Der Laserstrahl veränderte tatsächlich den Zustand des Atomkerns
  • Nach anschließender Datenprüfung und Auswertung wurden die Ergebnisse veröffentlicht

Möglichkeiten für Kernuhren und Präzisionsmessung

• Da nun bekannt ist, wie sich der Thorium-Zustand anregen lässt, kann diese Technik für Präzisionsmessungen genutzt werden
• Eines der langfristigen Ziele ist der Bau einer Kernuhr
  • So wie eine Pendeluhr die Schwingung des Pendels als Zeitreferenz nutzt, könnte die Schwingung des Lichts, das den Thorium-Übergang anregt, als Zeitreferenz einer neuen Uhr dienen
  • Diese Uhr könnte deutlich genauer sein als die besten heute verfügbaren Atomuhren
• Über die Zeitmessung hinaus könnte sie auch zur präziseren Analyse des Gravitationsfelds der Erde eingesetzt werden
  • Das könnte Hinweise auf Bodenschätze oder Erdbeben liefern
• Diese Messmethode könnte auch auf Fragen der Grundlagenphysik angewendet werden, etwa ob Naturkonstanten tatsächlich konstant sind oder ob sich winzige Veränderungen im Laufe der Zeit messen lassen
• Das Forschungsteam betont, dass die aktuelle Messmethode nur ein Ausgangspunkt ist und sich noch nicht vorhersagen lässt, welche Ergebnisse künftig daraus entstehen werden

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Ich bin einer der Autoren der Arbeit und kann Fragen beantworten, falls es welche gibt. Schön, das hier zu sehen.

• Diese Messung wurde bereits von einer anderen Gruppe bestätigt: https://arxiv.org/abs/2404.12311
  Das ist wichtig, weil Verunreinigungen im für das Experiment verwendeten Kristall allerlei Fluoreszenz erzeugen können, die fälschlich als Signal von Thorium-Ionen interpretiert werden könnte. Jetzt haben zwei Gruppen in unterschiedlich mit Thorium dotierten Kristallen exakt dasselbe Signal gesehen, was deutlich überzeugender macht, dass tatsächlich der Kernübergang gefunden wurde.

  • Als ich nach dem arXiv-Link zu dieser Arbeit gesucht habe, bin ich auf den obigen Link gestoßen.
    Dass die neue Arbeit nicht auf arXiv, sondern nur auf der Website der Forschungsgruppe [1] hochgeladen wurde, ist etwas seltsam.
    [1]: https://www.tuwien.at/fileadmin/Assets/tu-wien/News/2024/Tho...
  • Wer wird jetzt wohl den Vorrang beanspruchen?

• Dort heißt es: „Wenn man die Wellenlänge des Lasers exakt abstimmt … könnte man einen besonderen Atomkern namens Thorium-229 vielleicht mit einem Laser kontrollieren. Am 21. November 2023 gelang dem Team schließlich der Durchbruch. Es traf die genaue Energie des Thorium-Übergangs, und der Thorium-Atomkern lieferte erstmals ein eindeutiges Signal.“ Da fragte ich mich natürlich: Wie groß ist denn die Wellenlänge?
  Die Antwort lautet 148.3821 nm. Natürlich ist auch das für mich keine Zahl mit viel intuitiver Bedeutung. Es fühlte sich ein bisschen so an, als würde man groß berichten, Malaysia-Airlines-Flug MH-370 sei in irgendeinem Ozean gefunden worden, aber den Ort nicht nennen, weil eine Angabe wie „148.3821 km süd-südöstlich der Cocos Islands“ für die meisten Menschen ohnehin nichts bedeuten würde.

  • 148 nm liegt im kurzwelligen Bereich von UV-C. Es ist energiereicher als die 200 nm, also das extremste Ultraviolett, das die Sonne erzeugt, und künstlich erzeugt würde es in der Atmosphäre stark absorbiert und diese nahezu undurchsichtig machen.
    Wenn man sichtbares Licht als eine Oktave betrachtet und sich vorstellt, die „Tonhöhe“ der Farbe rolle sich von Rot wieder zu Blau auf, dann entspräche das einem Blau, das eine Oktave über dem sichtbaren Blau liegt.
  • Diese Art von Physik wird gemessen an ihrer Bedeutung eher unterschätzt. Streng genommen würde ich sie eher Materialwissenschaft nennen, und sie lässt sich tatsächlich direkt auf die Herstellung von Dingen anwenden.
    Toleranzen und kleine Materialverbesserungen verändern am Ende der Wissenschafts‑, Technik‑ und Fertigungspipeline massiv, was wirtschaftlich machbar ist. „Wir haben etwas mit höherer Präzision hergestellt“ ist meistens eine große Nachricht. Man muss sich nur die Halbleiter ansehen: Eine ganze Industrie schafft enormen Wert aus der Fähigkeit, Atome ein paar Nanometer besser zu bewegen.
    Dass die zentrale Zahl im Artikel fehlt, wirkt zwar wie ein Problem, aber eigentlich sind die Erwartungen an die Leserschaft ohnehin schon niedrig. Diese Zahl könnte für die Menschheit potenziell mehr als 1 Billion Dollar wert sein, aber die meisten würden sie wohl eher als Partywissen betrachten.
  • Etwas ernster betrachtet: Um einem Wasserstoffatom das Elektron zu entreißen, braucht man offenbar ein Photon mit einer Wellenlänge von 92 nm. Als Referenz ist dieser Link vielleicht nützlich: https://web.archive.org/web/20210413042937/https://www.nagwa...
  • Zum Vergleich: In den letzten Jahren gab es viel Forschung zu optischen Frequenzstandards. Da optische Frequenzstandards bei höheren Frequenzen arbeiten als mikrowellenbasierte Cäsium-Frequenzstandards, können sie präziser sein.
    Die Wellenlängen der aktuellen Kandidaten https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad17d2 liegen zwischen 750 nm und 250 nm. Ein Cäsium-Frequenzstandard verwendet eine Wellenlänge von 32,6 mm und ist damit etwa 100.000-mal größer als optische Frequenzstandards.
    Wenn es nur um die Frequenz geht, ist mir nicht ganz klar, warum der Kernübergang in Thorium viel besser sein sollte als ein optischer Übergang — außer wenn die Ausdehnung zu noch höheren Frequenzen nicht der eigentliche Kern des Interesses ist.
  • 148.3821 nm Licht wird verwendet, um den Kernübergang anzuregen, und ist daher ohne Zweifel ultraviolett. Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen besteht jedoch darin, dass Gammastrahlen aus dem Atomkern stammen.
    Deshalb ist es ein amüsanter Gedanke, dass man das Photon, das beim Rückfall des Kerns in den Grundzustand emittiert wird, aus einer bestimmten Perspektive vielleicht „Gamma-Ultraviolett“ nennen könnte.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#Distinction_from_X-r...
    Natürlich nennt es in Wirklichkeit niemand Gammastrahlung, aber es ist ein netter Gedanke.

• Wenn man sich das große Bild der Quantenchromodynamik ansieht, ist es ziemlich schockierend, wie wenig wir über die innere Struktur des Protons oder über Nukleonen wirklich sicher wissen.
  Das ist der Fluch des „Abtastens“ mit gewaltigen Energien. Man kann nie zu 100 % sicher sein, ob man tatsächlich etwas detektiert, das dort vorhanden ist, oder ob man nur die Nebenprodukte der enormen Kollisionsenergie betrachtet.
  Physiker sind klug und tun Dinge, die ich nicht kann. Trotzdem gibt es Grenzen der Gewissheit, und besonders im Inneren des Protons wirken noch unbekannte Prinzipien erster Ordnung. Die Präzision von Photonen und Lasern in diese Welt der Nukleonen zu bringen, dürfte eine gewaltige Sache werden.

  • Mit meinem bescheidenen Verstand finde ich eher schockierend, wie viel wir wissen.
  • Vielleicht lassen sich damit sogar Experimente zur Allgemeinen Relativitätstheorie auf dem Labortisch durchführen. Die Gravitation folgt 1/r², daher könnte bei kleinem r der Masseterm weniger wichtig werden, und man könnte die Allgemeine Relativität auf verschiedene Arten testen [1], insbesondere die Shapiro-Verzögerung [2].
    Das könnte wiederum ein Weg sein, Effekte der Quantengravitation zu sondieren.
    1 - https://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativity
    2 - https://en.wikipedia.org/wiki/Shapiro_time_delay

• Schön zu sehen, dass das tatsächlich passiert ist. Als man das früher mit gefangenen Ionen versucht hat, haben meine GaTech-Kollegen und ich als Erste Th(232) 3+ eingefangen und lasergekühlt
  https://sites.lsa.umich.edu/kuzmich-lab/wp-content/uploads/s...

• Der Teil „könnte das Gravitationsfeld der Erde viel präziser analysieren und so Hinweise auf Bodenschätze oder Erdbeben liefern“ hat doch auch militärische Anwendungen, oder?
  Könnte in Atom-U-Booten als GPS-Ersatz genutzt werden
  https://news.ycombinator.com/item?id=29213751
  https://news.ycombinator.com/item?id=36222625

  • Ein Freund von mir arbeitet bei so einer Firma, https://www.atomionics.com/, und sie führen Pilotprojekte mit Bergbauunternehmen durch
  • Diese Technologie könnte bewaffnet werden

• Laut Paper liegt das Licht bei etwa 140nm, also nahe UV-C bei 8.4eV. Um den Übergang auszulösen, muss die Energie jedoch extrem genau stimmen, weil der Kernzustand keine Möglichkeit hat, überschüssige Energie loszuwerden

  • Der Q-Wert von Kernübergängen ist wirklich absurd groß. Das zeigt sich schon an der langen Lebensdauer, bei der das freie Atom hier eine Halbwertszeit von über 1700 Sekunden hat
    Die Unschärferelation schreibt man meist als delta-p delta-x > hbar/2, aber man kann sie auch als delta-t delta-E > hbar/2 formulieren. Wenn die Halbwertszeit also sehr lang ist, kann delta-E sehr klein werden
    Das wird in der Mössbauer-Spektroskopie genutzt, also bei rückstoßfreier Gamma-Emission in Festkörpern. Die Peaks sind so scharf, dass Pound und Rebka sie 1960 im Harvard-Labor nutzten, um die gravitative Rotverschiebung nachzuweisen, und 1964 erreichten sie eine Genauigkeit von 1%
    https://en.wikipedia.org/wiki/Pound%E2%80%93Rebka_experiment
  • Ich hatte mich gefragt, warum die Energie so genau stimmen muss, und jetzt verstehe ich es. Warum hat dieser Übergang aber so niedrige Energie?
    Der einzige andere angeregte Atomzustand, den ich kenne, ist der angeregte Zustand von Eisen, der in der Mössbauer-Spektroskopie verwendet wird, und dieser Übergang hat viel höhere Energie. Dort gibt es auch eine gewisse Kopplung an die elektronischen Zustände des Kerns. Ich frage mich, ob es einen besonderen Grund gibt, warum dieser Thorium-Übergang nicht an elektronische Zustände koppelt
  • Interessant, aber es dürfte doch trotzdem eine gewisse Fehlertoleranz geben. Dann könnte es ein wenig überschüssige Energie geben — wo würde diese abgeführt, und wie groß wäre die Toleranz?
  • Wohin geben elektronische Übergänge normalerweise überschüssige Energie ab?

• Es heißt, „wenn man das Gravitationsfeld der Erde sehr präzise analysiert, könnte man Hinweise auf Bodenschätze erhalten“ — ich frage mich, wie das funktionieren soll
  Ich hatte schon einmal diese SF-Idee, dass man mit ausreichend empfindlicher Messung des Gravitationsfelds ein vorbeifahrendes U-Boot erkennen könnte. Bei der Mathematik bin ich mir nicht sicher, aber wenn das möglich wäre, könnte es große Teile der Nuklearstrategie aushebeln. Ich sollte die Rechnung mal aufstellen

  • Die Kartierung des Gravitationsfelds zur Suche nach Minerallagerstätten wird tatsächlich schon sehr lange verwendet
    Das 1888 entwickelte Eötvös-Pendel, also die Eötvös-Torsionswaage, war der Anfang solcher Messungen. In den 1920er Jahren nutzten Geophysiker sie häufig, um Gradienten des Gravitationsfelds sehr präzise zu messen und unterirdische Lagerstätten zu kartieren
    Später wurde sie durch bessere Prospektionsgeräte ersetzt. Ursprünglich wurde das Instrument gebaut, um zu testen, dass träge Masse und schwere Masse mit sehr hoher Präzision gleich sind, genauer gesagt linear korreliert
    https://en.wikipedia.org/wiki/E%C3%B6tv%C3%B6s_experiment
    https://www.nature.com/articles/118406a0
    Die Erkennung von U-Booten ist deutlich schwieriger und, wie andere schon gesagt haben, praktisch unmöglich
  • Man muss nur nach Quanten-Navigationssystemen suchen. Sie dienen nicht zur Verfolgung von U-Booten, sondern sollen als GPS-Alternative in U-Booten eingesetzt werden, indem sie kleine Unterschiede im Gravitationsfeld der Erde zur Positionsbestimmung nutzen
    Wenn ich mich richtig erinnere, hat die Royal Navy das letztes Jahr erstmals offiziell getestet
  • Ausreichend genaue Uhren können wie relativistische Sensoren funktionieren. Sie messen kleine Änderungen im „Zeit“-Teil der Raumzeit, die durch winzige Gravitationsänderungen verursacht werden
  • https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/AD1012150.pdf
    Gravitational Detection of Submarines, PM Moser 1989
  • Schon heute werden Abweichungen im Erdmagnetfeld unter anderem zur U-Boot-Erkennung genutzt. Große eisenhaltige Objekte verursachen kleine, aber nachweisbare Verzerrungen des Magnetfelds
    Die Reichweite ist recht gering, aber groß genug, dass es sogar von Flugzeugen aus eingesetzt werden kann
• 1. Hat das etwas damit zu tun, Thorium als Kernbrennstoff zu verwenden? Sieht nicht so aus
  2. Haben die Wellenlängeneinheiten hier irgendeine Bedeutung? Es heißt, man habe den Wert auf bestimmte Zahlen eingegrenzt, aber entspricht diese Feinheit irgendetwas? Gibt es eine diskrete Skala, oder funktionieren einfach Werte innerhalb eines sehr kleinen ±-Bereichs?
  • Mit Kernenergie hat das tatsächlich nichts zu tun. Die einzige Ausnahme ist, dass Thorium-229 in Reaktoren erzeugt wird
    Diese Leistung ist ein Schritt hin zum Ziel, Atomuhren mit Thorium-229 zu bauen — und zwar der bisher wichtigste
  • Noch nicht. Aber falls jemand die Bedingungen so abstimmen könnte, dass Kernbrennstoffatome bei der Spaltung immer in genau einen Vorläufer verzögerter Neutronen und ein stabiles oder nahezu stabiles Atom zerfallen und dabei keine langfristige Nachwärme entsteht, könnte das die Kernenergie revolutionieren
    Mir wurde gesagt, dass dieser Traum unmöglich ist, aber wenn ich einen meiner Dschinni-Wünsche dafür einsetzen dürfte, würde ich genau das wählen. Im Moment spaltet es sich quer durch die halbe Periodentafel und verursacht alle möglichen Probleme

• Ich habe gerade keine Zeit, das ausführlich aufzuschreiben, aber das sind wirklich aufregende Neuigkeiten
  Die Suche nach der Thorium-Linie war eines der wichtigsten ungelösten Probleme in der Präzisions- und Grundlagenmesstechnik