Wie untersucht man Atome und Moleküle? Oft beschießt man sie mit einem Laserstrahl. Wenn die Wellenlänge des Laserlichts genau passt, können Atome oder Moleküle dieses Licht absorbieren, andere Wellenlängen haben keinen Effekt. Unzählige Quantenexperimente beruhen auf diesem Prinzip. Wichtige Messgeräte wurden dadurch möglich.
Mit Atomkernen erschien das lange Zeit nicht machbar. Die Wellenlänge von Laserstrahlen ist viel zu groß, um von typischen Atomkernen absorbiert zu werden. Doch Thorsten Schumm konnte mit seinem Team im Jahr 2024 zeigen: Bestimmte Atomkerne des Elements Thorium lassen sich tatsächlich mit Lasern manipulieren – das eröffnet eine völlig neue Forschungsrichtung. Nun bekommt Schumm einen ERC Advanced Grant des European Research Council. Damit will er nun die Möglichkeiten dieser neuen Technik deutlich erweitern.
Quantenoptik mit Atomkernen
Auf der ganzen Welt hatte man nach dem lange vermuteten Thorium-Laserübergang gesucht, aber es war Schumms Team, dem der Durchbruch gelang: „Die erste Anregung eines Atomkerns mit einem Laser war ein ganz entscheidender Schritt. Aber bei uns geht die Arbeit damit eigentlich erst so richtig los“, sagt Thorsten Schumm. „Wir wissen jetzt: Das Prinzip funktioniert. Aber nun haben wir eine ganze Menge Ideen, wie wir es deutlich verbessern können, sodass man damit hochpräzise Messgeräte bauen kann, die alles bisher Bekannte in den Schatten stellen.“
Entscheidend für den Erfolg waren thoriumhaltige Kristalle, die an der TU Wien in jahrelanger Arbeit hergestellt wurden. Sie werden mit dem passenden Laserlicht angestrahlt, manche der Thorium-Atomkerne absorbieren daraufhin ein Photon und wechseln in einen Zustand höherer Energie. „Allerdings regen wir derzeit auf diese Weise nur einen sehr kleinen Teil der Thorium-Atomkerne an“, sagt Thorsten Schumm. „Ungefähr einen Atomkern von zehntausend. Das ist messbar, aber für viele praktische Anwendungen noch zu wenig.“
Das Ziel: Maximale Kontrolle über den Atomkern
Das große Ziel des neuen Projekts ist, in ein Regime starker Anregung zu gelangen: Ein großer Teil der Atomkerne soll gleichzeitig angeregt werden. „Wir wollen wirklich zuverlässige kohärente Kontrolle über die Atomkerne haben“, sagt Thorsten Schumm. „Das würde bedeuten, dass man dann mit Atomkernen Quantenexperimente durchführen könnte, die man in ähnlicher Form seit Jahrzehnten mit Atomen und Molekülen macht. Eine gewaltige Bandbreite möglicher Messungen würde sich auftun.“
Ein entscheidender Vorteil von Atomkernen gegenüber Atomen oder Molekülen ist: Sie sind deutlich weniger anfällig für Störungen. „Die Elektronenhülle eines Atoms reagiert zum Beispiel sehr empfindlich auf äußere elektromagnetische Felder“, erklärt Thorsten Schumm. „Will man Präzisionsmessungen durchführen, muss man sie gegen äußere Felder sorgfältig abschirmen. Wenn man Atomkerne verwendet, fällt dieses Problem weg, daher sind mit Atomkernen prinzipiell viel präzisere Messungen möglich – von speziellen Hochleistungs-Sensoren über Quanten-Informationsspeicher bis hin zu neuartigen Atomkern-Uhren.“
Bekannte Gedanken in unbekanntem Territorium
„Die Quantenoptik ist seit Jahrzehnten ein ausgesprochen fruchtbares Forschungsgebiet“, sagt Thorsten Schumm. „Wir tragen dieses Gebiet nun in eine neue Dimension: Wir gehen von Atomen und Molekülen, die einige Angström oder Nanometer groß sind, zu Atomkernen, die zehntausendmal kleiner sind. Das Grundprinzip bleibt gleich – aber wir transferieren es in ein ganz anderes Feld der Physik: Von der Atom- und Molekülphysik in die Kernphysik.“
Das Forschungsprojekt trägt den Namen „COCONUT“ (coherent control of a nuclear transition), ist mit über 3,5 Millionen Euro dotiert und hat eine Laufzeit von fünf Jahren.
Rückfragehinweis:
Prof. Thorsten Schumm
Atominstitut
Technische Universität Wien
+43 1 58801 141896
thorsten.schumm@tuwien.ac.at
Aussender:
Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
+43 664 60588 4127
florian.aigner@tuwien.ac.at
