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Einem Forschungsteam der University of California Los Angeles (UCLA), der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es gelungen, den Atomkern des Isotops Thorium-229 mithilfe von Laserlicht in einem nicht-transparenten Trägermaterial anzuregen. Damit wird eine bislang unzugängliche Materialklasse für die Kern-Laserspektroskopie erschlossen – ein entscheidender Schritt hin zu neuartigen Quantentechnologien wie der vielversprechenden optischen Kernuhr. Die Ergebnisse des Experiments wurden in der vergangenen Woche im renommierten Wissenschaftsjournal Nature veröffentlicht.
Forschende aus Los Angeles, München und Mainz eröffnen neue Möglichkeiten für kernbasierte Quantentechnologien
Einem Forschungsteam der University of California Los Angeles (UCLA), der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es gelungen, den Atomkern des Isotops Thorium-229 mithilfe von Laserlicht in einem nicht-transparenten Trägermaterial anzuregen. Damit wird eine bislang unzugängliche Materialklasse für die Kern-Laserspektroskopie erschlossen – ein entscheidender Schritt hin zu neuartigen Quantentechnologien wie der vielversprechenden optischen Kernuhr. Die Ergebnisse des Experiments wurden in der vergangenen Woche im renommierten Wissenschaftsjournal Nature veröffentlicht.
Von der Kontrolle der Atomhülle zur Manipulation des Atomkerns
Seit den 1960er-Jahren nutzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Laser, um die Atomhülle gezielt zu manipulieren – ein Ansatz, der zu technologischen Entwicklungen wie optischen Atomuhren und Quantencomputern geführt hat. Die gezielte Manipulation von Atomkernen mit Laserlicht dagegen ist ein noch junges Forschungsfeld: Erst 2024 gelang es erstmals, einen Atomkern direkt mittels Laserlicht anzuregen.
Erweiterung der nutzbaren Materialklasse
Bislang war die experimentelle Anregung des Thorium-229-Kerns nur in Trägermaterial gelungen, das transparent für das zur Anregung verwendete 148-nm-Laserlicht ist. Mit dem nun gelungenen Nachweis in einem nicht-transparenten Trägermaterial, also einem Material, das die Thorium-Atome aufnimmt und stabilisiert, aber selbst für das Laserlicht nahezu undurchlässig ist, wird das Spektrum nutzbarer Substanzen drastisch erweitert. Gleichzeitig eröffnet die Arbeit das Forschungsfeld der laserbasierten IC-Mössbauer-Spektroskopie, einem völlig neuen Werkzeug zur Untersuchung von Atomkernen in Festkörpern.
„Dieser Erfolg öffnet uns eine Tür zu einem bislang verschlossenen Bereich der Kernphysik“, erklärt Dr. Lars von der Wense vom Institut für Physik der JGU, der das jetzt gelungene Experiment 2017 vorschlug. „Dass wir die Kernanregung nun auch in nicht-transparenten Materialien durchführen können, ermöglicht uns völlig neue Experimente – und bringt die Realisierung einer optischen Kernuhr ein deutliches Stück näher.“
Eine solche Kernuhr gilt als potenziell stabilstes Zeitnormal überhaupt. Sie könnte unter anderem die Satellitennavigation revolutionieren und damit präzisere Anwendungen in Erdbeobachtung, autonomem Verkehr und Grundlagenforschung ermöglichen. Ein großes Augenmerk liegt auch auf fundamentalphysikalischen Fragen wie der Suche nach zeitlichen Veränderungen in Naturkonstanten und der Suche nach dunkler Materie.
Mit ihrem aktuellen Erfolg schaffen die Forschenden die Grundlage für zahlreiche zukünftige Experimente und Anwendungen – und zeigen, welches Potenzial in der Kombination aus moderner Lasertechnologie und Kernphysik steckt.
Dr. Lars von der Wense
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel.: +49 6131 39 30997
E-Mail: lars.vonderwense@uni-mainz.de
https://nuquant.physik.uni-mainz.de
Ricky Elwell et al., Laser-based conversion electron Mössbauer spectroscopy of 229ThO2, Nature 648, 300-305 (2025), 10. Dezember 2025,
DOI: 10.1038/s41586-025-09776-4,
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09776-4
Lars von der Wense et al., A Laser Excitation Scheme for 229𝑚Th, Physical Review Letters 119, 132503, 28. September 2017,
DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.132503,
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.132503
https://newsroom.ucla.edu/releases/thorium-could-power-next-generation-atomic-cl... – Pressemitteilung der UCLA „An old jeweler’s trick could unlock next-generation nuclear clocks“ (10. Dezember 2025)
https://presse.uni-mainz.de/thorium-229-neuer-untersuchungsansatz-eroeffnet-viel... – Pressemitteilung „Thorium-229: Neuer Untersuchungsansatz eröffnet vielfältige Möglichkeiten“ (01.06.2023)
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, Students
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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