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Das Fachmagazin Nature setzt Ekkehard Peik auf seine Liste von 10 Personen, die die Wissenschaft im Jahr 2024 geprägt haben.
„Vater der Zeit: Der Physiker, der die erste Kernuhr der Welt bauen will“ titelt das renommierte Fachmagazin Nature in seiner Dezemberausgabe und ehrt ihn als einen der zehn prägendsten Forscher*innen des Jahres 2024: Den PTB-Physiker Ekkehard Peik. Ihm und seinem Team war Anfang des Jahres ein wahrer Quantensprung gelungen – sprichwörtlich und ganz real. Sie schafften, was seit vielen Jahren nur theoretisch vorhergesagt wurde: Die Laser-Anregung eines Atomkerns des Elements Thorium-229 zu einem Quantensprung von einem Energieniveau auf ein anderes. Dieser wissenschaftliche Durchbruch könnte sogenannte Kernuhren mit bisher unvorstellbarer Präzision ermöglichen.
Im Gegensatz zur Anwendung auf einen Atomkern ist die Anregung von Elektronen in der Atomhülle schon lange eine verbreitete Methode: Wenn die Wellenlänge eines Lasers exakt gewählt ist, wechselt ein Elektron von einem Zustand in einen anderen. So kann man diese für ein Atom oder Molekül charakteristische Energie sehr exakt vermessen. Viele Präzisionsmesstechniken beruhen genau darauf, etwa unsere heutigen Atomuhren, aber auch chemische Analysemethoden. Auch in Quantencomputern werden Laser verwendet, um Information in Atomen oder Molekülen zu speichern.
Lange schien es unmöglich, diese Techniken auf Atomkerne anzuwenden, die ebenfalls unterschiedliche Quantenzustände annehmen können. Der Durchbruch gelang durch eine Zusammenarbeit mit der TU Wien: Während in der PTB ein Lasersystem bei der benötigten ultravioletten Wellenlänge von etwa 148 Nanometern entwickelt wurde, stellten Forschende an der TU Wien Kristalle her, in die Thorium-Kerne in großer Anzahl eingebaut wurden. Beide Aufgaben waren nicht nur Neuland, sondern auch technisch sehr aufwendig. Sie haben aber schließlich die Möglichkeit geschaffen, dass in der PTB rund zehn Billiarden (1016) Thorium-Kerne gleichzeitig mit dem Laser getroffen werden können. Den Forschenden ist es mit diesem Vorgehen gelungen, die Energie des gesuchten Thorium-Übergangs exakt zu treffen, und die Thorium-Kerne lieferten zum ersten Mal ein klares Signal: Der Laserstrahl hatte ihren Zustand umgeschaltet. Im weiteren Verlauf des Jahres ist es zwei Gruppen in den USA gelungen, den Effekt auch mit anderen Thorium-dotierten Kristallen und anderen Lasersystemen zu beobachten.
Die erfolgreiche Laser-Kernanregung öffnet die Tür für eine Atomkern-Uhr, die noch einmal deutlich genauer sein könnte als die heutigen Atomuhren. Sie könnte die grundlegenden Fragen der Quantenforschung nach dem Ursprung unserer Welt – z. B. ob Naturkonstanten seit dem Urknall konstant sind – beantworten helfen. Und wenn die nun realisierten Thorium-dotierten Kristalle weiterentwickelt werden, könnten Thorium-Kerne gezielt als Sonden in Kristalle oder Moleküle eingebaut werden und dort neue Informationen über mikroskopische Materialeigenschaften zugänglich machen.
Dr. Ekkehard Peik, Fachbereich 4.4 Zeit und Frequenz, Tel.: (0531) 592-4400, E-Mail: ekkehard.peik@ptb.de
J. Tiedau et al.: Laser excitation of the Th-229 nucleus. Phys. Rev. Lett. 132, 182501
doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.182501
Dr. Ekkehard Peik
PTB
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Physics / astronomy
transregional, national
Miscellaneous scientific news/publications, Research results
German
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