Thread by @florianaigner

Ein lange herbeigesehnter Durchbruch: Einem Team von TU Wien und PTB Braunschweig ist es erstmals gelungen, einen Atomkern mit Laser gezielt "umzuschalten". Warum das revolutionär ist, und was man damit nun tun kann: (Thread)

Full disclaimer: Ich bin ein Fan dieser Forschung und somit nicht unbedingt objektiv. Ich beobachte das Projekt seit Jahren und habe für die TU Wien das Pressematerial für diese Entdeckung geschrieben. Aber zurück zur Physik. Was wir bereits wussten:

Mit Lasern Atome oder Moleküle zu manipulieren ist völlig alltäglich. Der Laser überträgt Energie auf die Elektronen und versetzt sie dabei in einen anderen Zustand. Das klappt bestens, man verwendet das für viele wichtige Technologien, etwa für chemische Sensoren.

Der Atomkern allerdings ist eine völlig andere Sache. Auch er kann unterschiedliche Zustände einnehmen, aber einen Atomkern in einen anderen Zustand zu versetzen braucht normalerweise tausendfach mehr Energie als ein Laser-Photon hat. Laserlicht ist Atomkernen meist völlig egal.

Das ist schade, denn gerade der Atomkern wäre eigentlich der perfekte Ort für Experimente. Er ist klein und kaum für Störungen anfällig. Kann man den Atomkern mit Laser kontrollieren, kann man Präzisions-Messgeräte bauen, z.B. eine Atomkern-Uhr, die alle Atomuhren übertrifft.

Schon vor Jahrzehnten stieß man aber auf Hinweise, dass es einen Atomkern geben könnte, der 2 Zustände hat, die extrem knapp beisammen liegen, sodass es dort tatsächlich möglich sein könnte, den Kern mit einem Laser vom einen Zustand zum anderen zu bringen - nämlich Thorium-229.

Das Problem ist nur: Um das zu beweisen, muss man den Atomkern mit Laserlicht der ganz exakt richtigen Wellenlänge treffen. Man muss also die Energie zwischen diesen beiden Zuständen fast perfekt kennen, um zu zeigen, dass es diese eng benachbarten Zustände tatsächlich gibt.

Es ist hoffnungslos, alle möglichen Energien durchzuprobieren, bis man irgendwann eines Tages dann tatsächlich die richtige erwischt und den Atomkern damit anregt. Die Energie auf 1 eV genau zu kennen ist völlig nutzlos, wenn man eine Präzision von 1 Millionstel eV braucht.

Über viele Jahre wurden auf der ganzen Welt Experimente durchgeführt, um den zu durchsuchenden Energiebereich immer weiter einzuschränken. Das Team von Thorsten Schumm von der TU Wien war an vielen dieser Projekte beteiligt - daher kannte ich das Projekt.

Schumms wichtige Idee war: Es ist besser, die Thorium-Atomkerne nicht einzeln zu analysieren, sondern sie in einen Kristall einzubauen. Dann kann man nämlich plötzlich viele Milliarden von ihnen gleichzeitig mit dem Laser treffen und ein entsprechend stärkeres Signal erhalten.

Das ist technisch aber schwierig. Der Kristall selbst muss für den Laser völlig durchsichtig sein, der Laser soll nur mit dem Thorium interagieren. Der Kristall soll klein sein und das Thorium an einer definierten Stelle vereinen. Doch mit den Jahren wurden diese Probleme gelöst.

Und so war es nun so weit: In Kooperation mit der PTB Braunschweig gelang es, die Thorium-Kerne anzuregen. Die gesuchte Energie wurde gefunden - man kennt sie jetzt auf 6 Stellen genau. Nur bei exakt dieser Energie passiert etwas mit den Kernen, bei jeder anderen nicht.

Das kann man nun für präzise Messtechnik verwenden, wie man auch schon Elektronen-Übergänge für Messtechnik verwendet. Schon seit Jahren gibt es Überlegungen, wie man eine Atomkern-Uhr bauen könnte, wenn man einen solchen Atomkern-Übergang fände. Dem steht nun nichts mehr im Weg.

Eine solche Atomkern-Uhr wäre noch einmal deutlich präziser als unsere heutigen Atomuhren. Damit könnte man nicht nur Zeit messen, sondern indirekt auch andere physikalische Größen, etwa die Stärke der Gravitation. Das wäre z.B. interessant für die Geologie.

Auch ganz grundlegenden physikalischen Fragen kann man damit auf den Grund gehen: Sind die Naturkonstanten wirklich konstant? Oder variieren sie vielleicht ein kleines bisschen in Raum und Zeit?

All das könnte nun möglich werden - dadurch, dass man es geschafft hat, den Atomkern den Laser-Messmethoden zugänglich zu machen, die man außerhalb des Atomkerns schon lange mit großem Erfolg verwendet.

Es ist ein lange erwarteter Durchbruch, aber zu hoffen ist, dass es erst der Startschuss einer langen Reihe von Erfolgsmeldungen ist, die über erfolgreiche Anwendungen dieser neuen Atomkern-Technologie berichten.

Wer mehr darüber lesen will, findet hier meine Pressemeldung der TU Wien. Am Ende stehen Links zu Zusatztexten über den historischen Hintergrund, mögliche Anwendungen und den Trick mit dem Kristall.
tuwien.at/tu-wien/aktuel…