Neu Bewertung von Zeit und Raum – Wie Thorium eine Rolle spielen wird

Das Konzept von Zeit und Raum hat Wissenschaftler schon immer fasziniert. Alles, was wir um uns herum sehen, funktioniert innerhalb eines zeitlichen und räumlichen Rahmens. Albert Einstein sagte berühmt, „Ein Mensch ist ein Teil des Ganzen, das wir „Universum“ nennen, ein Teil, der in Zeit und Raum begrenzt ist.“ 

Allerdings haben sich unsere Einschätzungen von Zeit und Raum mit den Fortschritten in der Wissenschaft und unserem philosophischen Verständnis davon weiterentwickelt. 

Eine der neuesten Ergänzungen zu diesem evolutionären Fluss, etwas, das spielverändernd oder revolutionär sein könnte, stammt von den Beiträgen einer Forschung team unter der Leitung von Prof. Thorsten Schumm von der TU Wien (Wien). Die Erwartung ist, dass diese Forschung den Weg für revolutionäre Hochpräzisionstechnologien ebnen könnte, einschließlich Kernuhren. 

Atomkern mit Laser angeregt: Der rätselhafte Fall des Thorium‑Übergangs

Die wissenschaftliche Gemeinschaft versucht seit langem, einen ganz bestimmten Zustand von Thorium‑Atomkernen zu erreichen, der beim Bau von Kernuhren helfen würde, die in ihrer Zeitmessung präziser sind als die heute besten verfügbaren Atomuhr. 

Auf einer größeren Ebene würden solche winzigen Zeitmessungen helfen, die Grundannahmen der theoretischen Physik neu zu bewerten, einschließlich der Frage nach den Naturkonstanten: Sind diese Konstanten unverrückbar, oder ändern sie sich in Raum und Zeit? 

Um die Zeit so genau zu messen, war es erforderlich, die genaue Energie zu kennen, die nötig ist, um Thorium bis zu seinem atomaren Übergang anzuregen. Dank der hier besprochenen Forschung ist diese Energie nun exakt bekannt. Daher ist es zum ersten Mal möglich, einen Atomkern mittels Laser in einen höheren Energiestatus zu versetzen und anschließend seine Rückkehr in den ursprünglichen Zustand zu verfolgen. 

Dieses Phänomen ist zudem ein bahnbrechender Erfolg, da es das erste Mal ist, dass zwei unterschiedliche Bereiche der Physik – Quantenphysik und Kernphysik – zu einem kombiniert werden konnten. Die Forschung erforderte die Entwicklung spezieller thoriumhaltiger Kristalle. 

Seit den 1970‑Jahren wissen Wissenschaftler von der Möglichkeit eines speziellen Atomkerns, der mit einem Laser manipuliert werden könnte. Der Erfolg erfordert jedoch, die Energie des Übergangs mit extremer Präzision zu kennen. Laut Prof. Thorsten Schumm:

“Die Kenntnis der Energie dieses Übergangs bis auf ein Elektronvolt ist wenig nützlich, wenn man die richtige Energie mit einer Präzision von einem Millionstel eines Elektronvolts treffen muss, um den Übergang zu detektieren.” 

Um diese Mission, die damals fast unmöglich klang, zu meistern, entwickelte das Team Kristalle, die eine große Anzahl von Thorium‑Atomen enthalten. 

Fabian Schaden, der Forscher, der in Wien für das Design dieser Kristalle verantwortlich war, sagte dazu Folgendes, um die damit verbundenen Komplexitäten zu erklären:

 “Obwohl dies technisch ziemlich komplex ist, hat es den Vorteil, dass wir nicht nur einzelne Thorium‑Kerne auf diese Weise untersuchen können, sondern etwa 10 hoch 17 Thorium‑Kerne gleichzeitig mit dem Laser ansprechen – etwa eine Million Mal mehr als die Sterne in unserer Galaxie.” 

Die Anwesenheit einer großen Anzahl von Thorium‑Kernen verstärkte den Effekt, verkürzte die erforderliche Messzeit und erhöhte die Wahrscheinlichkeit, den Energietransition tatsächlich zu finden. 

Wie wichtig war dieser Durchbruch? Laut Thorsten Schumm:

“Für uns ist das ein wahr gewordener Traum.” Weiter sagte er: “Wir freuen uns, dass wir nun diejenigen sind, die den entscheidenden Durchbruch präsentieren können: Die erste gezielte Laseranregung eines Atomkerns.” 

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Die Auswirkungen des Erfolgs auf die Konzepte von Zeit und Raum

Der in dieser Forschung erzielte Erfolg würde zu noch anspruchsvolleren Präzisionsinstrumenten führen. Die Uhren werden die Schwingung des Lichts, das den Thorium‑Übergang aktiviert, nutzen, um zu neuen Varianten zu werden, die präziser sein könnten als die heute besten verfügbaren Atomuhr. 

Das Phänomen könnte auch helfen, die Gravitationsfelder der Erde genauer zu analysieren, was bei der Lokalisierung von Mineralvorkommen und der Vorhersage von Erdbeben mit höherer Präzision unterstützen könnte. 

Die Forscher sind sich noch nicht über das gesamte Anwendungsspektrum im Klaren, sind jedoch sicher, dass das Potenzial grenzenlos sein könnte. In den Worten von Thorsten Schumm:

“Unsere Messmethode ist erst der Anfang. Wir können noch nicht vorhersagen, welche Ergebnisse wir damit erzielen werden. Es wird sicherlich sehr spannend sein.”

Diese Forschung könnte Unternehmen, die anspruchsvolle Präzisionsuhren entwickeln, stark zugutekommen. Im Folgenden sind einige dieser Unternehmen aufgeführt.

#1. Microsemi

Microsemi ist weltweit für seine Fähigkeiten im Bereich der Atomuhr bekannt. Dabei handelt es sich um Uhren, deren elektrischer Oszillator durch die natürlichen Schwingungsfrequenzen eines atomaren Systems geregelt wird, das Caesium‑Atomstrahlen, Ammoniak‑Atome oder Rubidium sein kann. 

Die Atomuhr von Microsemi sind dafür bekannt, mehr als 90 % des Eingangs zur koordinierten Weltzeit (UTC) zu liefern. Außerdem ist es der einzige kommerzielle Anbieter von Caesium‑Strahlrohr‑Uhren, die in nationalen Laboren weltweit zu finden sind.

Das Unternehmen positioniert sich als führender Anbieter von Gaszellen‑Atomuhren, einschließlich der Chip‑Scale‑Atomic‑Clock (CSAC), der weltweit kleinsten und energieärmsten Atomuhr, sowie der Miniature Atomic Clock (MAC).

Microsemi gibt an, dass seine Caesium‑Atomuhren besonders in der Kommunikation nützlich sind. Diese Uhren können GNSS/GPS‑Technologie sehr effizient für Frequenz-, Zeit- und Phasenanwendungen unterstützen. 

Caesium arbeitet mit einer Abweichung von UTC bei einer Genauigkeit von 1 × 10-12. Das macht eine Caesium‑Uhr fähig, GNSS/GPS ohne Leistungsabfall für Frequenzanwendungen zu unterstützen. Sie ermöglicht den Holdover‑Modus für Zeit‑ und Phasenanwendungen. 

Durch den Erfolg der ‘Thorium‑Übergangs’-Forschung verfügt Microsemi nun über die Ressourcen, eine noch genauere und feinabgestimmte Uhr zu entwickeln. 

Insgesamt ist die Microsemi Corporation eine hundertprozentige Tochtergesellschaft von Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP). Im Geschäftsjahr 2023 registrierte Microchip einen Nettoumsatz von mehr als 8,4 Mrd. US‑$, und im Geschäftsjahr 2023 gab das Unternehmen 1,64 Mrd. US‑$ an seine Aktionäre zurück, verglichen mit 0,9 Mrd. US‑$ im Geschäftsjahr 2022.

#2. General Atomics

Im Oktober 2021 erklärte General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS), dass es die NASA‑Jet‑Propulsion‑Laboratory‑Mission „Deep Space Atomic“ abgeschlossen habe. Laut dem Präsidenten von GA-EMS, Scott Forney:

“Der Erfolg der DSAC‑Mission an Bord des OTB ebnet den Weg für zukünftige Bemühungen, kritische weltraumbasierte Technologien voranzutreiben und sie mit zuverlässigen, robusten Satellitendesigns in die Umlaufbahn zu bringen.”

Die DSAC war eine miniaturisierte, außergewöhnlich präzise Quecksilber‑Ion‑Atomuhr. Laut der Bewertung von General Atomics zeigte sie eine deutlich verbesserte Zeitstabilität gegenüber anderen Atomuhr‑Systemen, die auf GPS‑Satelliten betrieben werden. Sie konnte die Zeit über lange Zeiträume hinweg konsistent messen und die Navigation sowie Erkundung des tiefen Weltraums unterstützen.

Offensichtlich ist General Atomics ein Unternehmen, das erheblich von der ‘Thorium‑Übergangs’-Forschung profitieren würde.

Im Kern ist General Atomics ein Unternehmen für Verteidigung und diversifizierte Technologien. Im Jahr 2023 erzielte das Unternehmen einen Umsatz von US$3.1 Mrd. 

Während die Kernuhr darauf abzielt, noch präziser zu werden, haben Wissenschaftler weiterhin Lösungen entwickelt, die einer neuen Generation von Atomuhr den Weg ebneten. In einem solchen Experiment am europäischen XFEL‑Röntgenlaser nutzten die Forscher das Element Scandium. 

Eine hochpräzise Atomuhr: Nutzung von Scandium für extrem hohe Genauigkeitsstandards

Die Forscher nutzten Scandium, um eine Genauigkeit von einer Sekunde in 300 Milliarden Jahren zu erreichen, was tausendmal präziser ist als die derzeitigen Standards von Atomuhr, die auf Caesium basieren.

Ähnlich wie beim Thorium‑Übergang, den wir zu Beginn besprochen haben, konnten die Forscher am europäischen XFEL einen vielversprechenden Übergang im Kern von Scandium anregen. Scandium ist leicht als hochreines Metallfolie oder als Verbindung Scandiumdioxid erhältlich. Die erforderliche Energie, um es für diesen Zweck exakt anzuregen, erforderte Röntgenstrahlen mit einer Energie von 12,4 keV, etwa 10.000‑mal so viel Energie wie sichtbares Licht.

Sie hat eine Breite von nur 1,4 femto‑Elektronvolt (eV) bzw. 1,4 Quadrillionstel eines Elektronvolts, was etwa ein Zehntel eines Billionstel der Anregungsenergie (10-19) entspricht. Das ermöglichte eine Genauigkeit von 1 : 10.000.000.000.000, gleichbedeutend mit einer Sekunde in 300 Milliarden Jahren.

Bei der Erläuterung der potenziellen Vorteile dieser Forschung und ihres Erfolgs konnten die Forscher vieles anführen. Zum Beispiel könnten Atomuhr mit verbesserter Genauigkeit Satelliten präziser positionieren. Die Forscher hoben zudem das Potenzial der Atomuhr als Wegbereiter für zukünftige Kernuhren hervor.

Laut dem Projektleiter des Experiments, Yuri Shvyd’ko vom Argonne National Laboratory in den USA:

“Der Durchbruch bei der resonanten Anregung von Scandium und der präzisen Messung seiner Energie eröffnet neue Wege, nicht nur für Kernuhren, sondern auch für ultrahochpräzise Spektroskopie und die präzise Messung fundamentaler physikalischer Effekte.”

Ausführlich über das Potenzial dieser Forschung sagte Olga Kocharovskaya von der Texas A&M University in den USA, Initiatorin und Leiterin des Projekts, Folgendes:

“Zum Beispiel könnte eine solch hohe Genauigkeit die gravitative Zeitdilatation auf Sub‑Millimeter‑Abständen untersuchen lassen. Dies würde Studien relativistischer Effekte auf Längenskalen ermöglichen, die bisher unzugänglich waren.”

Zusammenfassend hatte diese Innovation, ähnlich wie die über den Thorium‑Übergang, mehrere Vorteile. Auf einer Ebene bedeuteten diese Vorteile die direkte Anwendung des Phänomens zur Entwicklung neuer Lösungen. Auf einer anderen Ebene eröffneten sie neue Horizonte. Im Bereich der theoretischen Physik würden diese neu eröffneten Wege zu effizienteren Lösungen führen.

Die Präzisionsuhr, die Strontium nutzte

Wir haben bereits untersucht, wie Thorium und Scandium verwendet wurden, um Zeit und Raum bis ins kleinste Detail neu zu bewerten. Im Jahr 2022 erforschten Wissenschaftler das Potenzial von Strontium in diesem Zusammenhang. 

Die Forschung umfasste eine Gruppe US‑amerikanischer Wissenschaftler. Sie behaupteten, ein Gerät gebaut zu haben, das 50‑mal präziser ist als seine Atomuhr‑Konkurrenten.

Laut Jun Ye, der dem National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado Boulder angehört, könnte die Uhr neben ihren Präzisionsmerkmalen Entdeckungen in der Quantenmechanik und Paradigmen, die die Dynamik der subatomaren Welt steuern, ermöglichen.

Die Lösung erforschte erfolgreich die Lichtnetze, bekannt als optische Gitter. Diese Gitter können Atome geordnet fangen und verhindern, dass die Atome durch die Schwerkraft fallen oder Bewegungen ausführen, die zu Genauigkeitsverlust führen. Die Präzisionsuhr bestand aus 100.000 Strontium‑Atomen, die übereinander in einer Pfannkuchen‑ähnlichen Anordnung gestapelt wurden und eine Höhe von etwa 1 mm bildeten.

Bei der Erklärung der faszinierenden Eigenschaften der Uhr sagte Ye:

“Raum und Zeit sind verbunden. Und mit einer so präzisen Zeitmessung kann man sehen, wie sich der Raum in Echtzeit verändert – die Erde ist ein lebendiger, lebendiger Körper.”

Wie andere Uhren, die wir bisher besprochen haben, war Ye von dem Potenzial dieser Uhr begeistert, eine völlig neue Ära der Physik einzuleiten. Die Uhr konnte Zeitunterschiede über 200 Mikrometer hinweg erkennen. Auf 20 Mikrometer reduziert, konnte sie die inneren Dynamiken der Quantenwelt effizienter untersuchen.

Neu Bewertung von Zeit und Raum mit Thorium und mehr: Schlusswort

Abgesehen davon, dass sie neue Dimensionen über die zeitliche und räumliche Natur unseres Universums eröffnen, dienen diese superscharfen Uhren vielen, vielen Zwecken, einschließlich der Verbesserung unserer Telekommunikations- und Navigationssysteme. 

Laut Andrew Ludlow, Physiker vom National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado:

“Es gibt viele Anwendungen [für Uhren], die nur eine wirklich gute Stabilität benötigen, und dann gibt es ein Spektrum von Anwendungen, bei denen allein Stabilität nicht ausreicht und auch Genauigkeit erforderlich ist.”

Diese supersensiblen Geräte können jede winzige Welle im Raum‑Zeit‑Kontinuum erfassen. Sie können Gravitationswellen bei Frequenzen detektieren, die für unsere konventionellen Lösungen fast unzugänglich sind. Ein Hochleistungs‑Raum‑Zeit‑Messgerät kann die kleinsten gravitativen Veränderungen tief unter der Erde wahrnehmen, um Signalbedingungen anzuzeigen, die Vorboten eines Erdbebens oder Vulkanausbruchs sind. 

Zusammenfassend sind die Möglichkeiten grenzenlos, und Wissenschaftler könnten in den kommenden Tagen weitere Elemente wie Thorium, Scandium und Strontium entdecken, die die Art und Weise, wie wir Raum und Zeit sehen, revolutionieren werden. 

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