Konsortium strebt Durchbruch bei Kernuhr-Technologie an

Die Quantentechnologie wird die Zukunft der Menschheit bestimmen, und Europa soll dabei eine führende Rolle spielen – das ist das Ziel von QuantERA, einem transnationalen Forschungsfinanzierungs-Netzwerk, gefördert von der EU.

Das Projekt ResonaTHOR – Resonator-based nuclear optical frequency reference, das nun von QuantERA gefördert wird, vereint ein europäisches Konsortium unter Leitung von Thorsten Schumm an der TU Wien.

Gemeinsam wollen die Partner die Grundlagen für eine Kernuhr im Chipformat schaffen, die künftig äußerst stabile Zeitsignale für Kommunikationsnetze, Navigation, Stromnetze, Finanzsysteme, die Grundlagenforschung und Quantentechnologien bereitstellen könnte.

Beteiligt sind Teams um Charles Roques-Carmes am ISTA (Österreich), Lino M. C. Pereira und Sandro Kraemer an der KU Leuven, Kasper Van Gasse an der Universität Gent/imec, Adriana Pálffy-Buß an der Universität Würzburg sowie Pascal Del’Haye am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts.

Präzise Zeitmessung ist in vielen Bereichen wichtig

Die moderne Gesellschaft ist auf präzise Zeitmessung angewiesen. Mobilfunknetze, Navigationssysteme, Rechenzentren, Stromnetze, Hochfrequenzhandel und sichere Kommunikation beruhen auf synchronisierten Uhren.

In vielen Fällen beruht diese Synchronisation auf satellitengestützten Zeitsignalen wie GPS oder anderen globalen Satelliten-Navigationssystemen. Diese Signale können jedoch durch technische Ausfälle, Störungen oder digitale Attacken beeinträchtigt werden.

Kompakte und hochstabile lokale Uhren könnten kritische Infrastrukturen daher widerstandsfähiger machen, indem sie eine präzise Zeitreferenz aufrechterhalten, wenn externe Signale nicht verfügbar oder nicht zuverlässig sind.

Einzigartige Eigenschaften: Thorium-229

ResonaTHOR will diesem Ziel durch die Nutzung des Atomkerns von Thorium-229 einen wichtigen Schritt näherkommen. Anders als herkömmliche Atomuhren, die Übergänge von Elektronen in der Atomhülle nutzen, basiert eine Kernuhr auf einem Übergang innerhalb des Atomkerns. Dieser Kernübergang gilt als besonders stabil und weniger empfindlich gegenüber vielen Umwelteinflüssen.

Thorium-229 ist einzigartig, weil sein Kernübergang prinzipiell mit Laserlicht angeregt werden kann – und damit eine vielversprechende Grundlage für einen neuen Frequenzstandard bietet.

Die zentrale Herausforderung besteht darin, dass Thorium-229-Kerne nur sehr schwach mit Licht wechselwirken. Dadurch lassen sie sich nur schwer effizient anregen und auslesen. ResonaTHOR begegnet dieser Herausforderung mit der Idee, Thorium-229 in winzige optische Resonatoren einzubringen, sogenannte Flüstergalerie-Resonatoren. In diesen Strukturen zirkuliert Licht vielfach entlang des Resonators – ähnlich wie sich ein Flüstern unter der Kuppel einer Kathedrale ausbreiten kann. Durch die wiederholte Wechselwirkung des Lichts mit den Thoriumkernen soll das Signal stark verstärkt und zugleich die benötigte Menge an Material sowie die erforderliche Laserleistung verringert werden.

Das Konsortium verfolgt zwei komplementäre Ansätze: Zum einen soll Thorium-229 in hochwertige kristalline Resonatoren implantiert werden, zum anderen sollen Resonatoren direkt aus thoriumdotierten Kristallen hergestellt werden. Außerdem untersucht das Projekt Laserkonzepte, die einige der komplexesten Aspekte heutiger Vakuum-Ultraviolett-Lasersysteme umgehen. Damit eröffnet sich ein Weg zu kleineren, robusteren und langfristig integrierten Bauelementen.

Würzburger Theorie für die Kernuhr

Das von Österreich aus koordinierte Konsortium vereint Expertise aus Kernphysik, Nanophotonik, Materialwissenschaft, Lasertechnologie und integrierten Photonik. Gemeinsam entwickeln die Forschenden Konzepte und Plattformen, um Thorium-229 effizient an Licht zu koppeln. Langfristiges Ziel ist die Realisierung kompakter, hochpräziser Kernuhren.

Unter den deutschen Partnern leistet das Team der Universität Würzburg unter Leitung von Professorin Adriana Pálffy-Buß von der Fakultät für Physik und Astronomie theoretische Arbeiten zur Kernanregung, kollektiven Emission und Quantendynamik von an Resonatoren gekoppelten Thoriumkernen.

Gemeinsam wollen die Partner die Kernuhr-Forschung von jüngsten Machbarkeitsdemonstrationen hin zu einer praktischen, kompakten und einsetzbaren photonischen Plattform weiterentwickeln. Bei Erfolg könnte ResonaTHOR eine neue Klasse von Quantentechnologien auf Grundlage nuklearer Materiezustände begründen: kompakte, robuste und ultrastabile optische Referenzen, die auch außerhalb hochspezialisierter Laborumgebungen betrieben werden können.

„Mit ResonaTHOR können wir grundlegende Fragen der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Ebene von Atomkernen untersuchen und zugleich den Weg zu einer völlig neuen Generation hochpräziser Zeitreferenzen ebnen“, sagt Adriana Pálffy-Buß. „Ich freue mich besonders darauf, die theoretischen Grundlagen für die Kopplung von Thorium-229-Kernen an optische Resonatoren gemeinsam mit unseren europäischen Partnern weiterzuentwickeln.“

Teil der QuantERA-Mission der Euopäischen Union

Die Entwicklung dieser Technologie in Europa ist von strategischer Bedeutung. Das Forschungsfeld der Thorium-229-Kernuhren wurde maßgeblich von europäischen Gruppen vorangetrieben; nun gilt es, diese wissenschaftliche Führungsrolle in technologische Kompetenz zu überführen.

Indem ResonaTHOR Kernphysik, Materialwissenschaft, Photonik, Laserspektroskopie und Quantentheorie an mehreren europäischen Einrichtungen zusammenführt, stärkt das Projekt Europas Position in der Präzisionsmetrologie und Quantentechnologie. Zugleich bildet es eine neue Generation von Forschenden in einem Bereich mit hohem wissenschaftlichem und industriellem Potenzial aus.

Das Projekt ist Teil der QuantERA-Mission, ambitionierte grenzüberschreitende Forschung in Quantenwissenschaft und Quantentechnologie zu fördern.

Über QuantERA

QuantERA ist ein von der Europäischen Kommission unterstütztes, internationales Fördernetzwerk. Es vereint mehr als 40 Forschungsförderungsorganisationen aus über 30 Ländern. Mission von QuantERA ist es, ambitionierte, grenzüberschreitende Forschung in der Quantenwissenschaft und -technologie zu unterstützen.

Kontakt

Prof. Dr. Adriana Palffy-Buß, Leiterin der Professur für Theoretische Quanteninformation und Quantenoptik, E-Mail  adriana.palffy-buss@uni-wuerzburg.de