Smaragd, Rubin, Amethyst und viele andere Edelsteine haben eine Gemeinsamkeit: Sie bestehen aus einer perfekt regelmäßigen Kristallstruktur, in die in geringer Konzentration Fremdatome eingebaut sind. Aus physikalischer Sicht handelt es sich bei diesen Fremdatomen eigentlich um „Störungen“ – um Imperfektionen im Kristall. Doch genau sie sind es, die dem Edelstein Farbe und Feuer verleihen. Der Amethyst beispielsweise hat die Struktur von einfachem Quarzkristall. Die Beimischung einer weniger Eisenatome bewirkt jedoch die charakteristische violette Färbung. Ein völlig perfekter Kristall hingegen, in dem sich dieselbe Anordnung von Atomen immer und immer wieder exakt wiederholt, sieht meist recht fad und blass-transparent aus

Ganz ähnlich ist das bei den Kristallen, die an der TU Wien gezüchtet wurden, um den lange gesuchten Thorium-Übergang zu finden: Entscheidend ist auch hier das sorgfältige und präzise Einbauen von Fremdatomen – in diesem Fall von radioaktivem Thorium. Unter allen Forschungsgruppen, die weltweit am Thorium-Übergang forschen, ist das Team der TU Wien das einzige, das solche Thorium-haltigen Kristalle selbst herstellen kann. Das war am Ende auch das Geheimnis des Erfolgs.

Thorium-Atome im Kristall

„Wenn man Thorium-Atomkerne mit einem Laser anregen will, hat man grundsätzlich zwei Möglichkeiten“, erklärt Prof. Thorsten Schumm. „Entweder man verwendet Thorium-Ionen, die man mit elektromagnetischen Feldern einfängt und festhält, oder man baut die Thorium-Atome in einen Festkörper ein.“ In Ionenfallen kann man immer nur eine recht kleine Zahl von Atomen gefangen halten, daher war Thorsten Schumm bald klar: Er wollte den Festkörper-Ansatz verfolgen. Doch dafür sind große technische Herausforderungen zu bewältigen.

„Das Ausgangsmaterial muss für den Laser völlig transparent sein. Nur auf die eingebauten Thorium-Atome soll der Laser eine Wirkung haben“, betont Thorsten Schumm. Glas oder ähnliche Materialien, die auf atomarer Ebene eher unregelmäßig sind, kommen dafür nicht in Frage, sie sind nicht transparent genug. Nur mit geeigneten, extrem regelmäßigen Kristallen kann das gelingen, etwa mit Calciumfluorid.

Schmelzen und neu erstarren lassen

Doch wie baut man in einen extrem regelmäßigen Calciumfluorid-Kristall Thorium-Atome ein? „Es hat Jahre gedauert, diesen Prozess zu entwickeln“, sagt Thorsten Schumm. „Wir beginnen mit einem winzigen, sehr regelmäßigen Kristall, dem wir Thorium hinzufügen und in ein Ultrahochvakuum bringen. Sauerstoff würde den Prozess sofort zerstören.“ In der Vakuumkammer wird der Kristall dann erhitzt und teilweise aufgeschmolzen. So bildet sich ein flüssiges Gemisch aus Thorium, Calcium und Fluor, während ein Teil des Kristalls darunter noch fest ist. Nun senkt man die Temperatur wieder und lässt das Gemisch erstarren – und zwar genau entlang des geometrischen Musters, das vom darunterliegenden, noch festen Kristall vorgegeben wird.

„Es gibt viele technische Details, die man dabei exakt kontrollieren muss, aber wenn man alles richtig macht, bekommt man auf diese Weise einen sehr regelmäßigen Kristall mit eingebauten Thorium-Atomen, in einer Größe von einigen Millimetern.“

Seltene Kombination von Wissen aus unterschiedlichen Bereichen

Ursprünglich hatte Thorsten Schumm gar nicht unbedingt den Plan, die Kristalle selbst herzustellen. „Es gibt Forschungsinstitute und Firmen, die sich auf das Züchten von Kristallen spezialisiert haben. Ich habe viele Gespräche geführt, auf der Suche nach Partnern, die solche Kristalle herstellen können – doch das war schwieriger als gedacht“, erzählt Schumm.

Die meisten Herstellungsverfahren sind auf möglichst große Kristalle optimiert. Für das Anregen des Thorium-Übergangs sind aber kleine Kristalle nötig: Der Laserstrahl, den man für die Experimente verwendet, trifft nur auf einen kleinen Bereich der Probe, jedes Material, das darüber hinausgeht, würde nur zu Störungen beitragen. „Beim Produzieren kleiner Kristalle hat man mit ganz anderen Schwierigkeiten zu kämpfen als bei großen. Die Oberflächenspannung beispielsweise spielt auf kleiner Skala eine viel wichtigere Rolle. Auch bei uns hat es Jahre gedauert, um von exzellenten zentimetergroßen Kristallen auf exzellente millimetergroße Kristalle zu kommen.“

Außerdem gibt es kaum Institute, die das nötige Wissen und das nötige Equipment haben, um mit radioaktivem Thorium umzugehen. „Das ist natürlich ein großer Vorteil bei uns, am Atominstitut der TU Wien“, sagt Thorsten Schumm. „Wir sind dafür zertifiziert, wir haben Strahlenschutz-Expertise und die nötigen Geräte, um mit Thorium zu arbeiten.“ Ein scheinbar ganz simpler Arbeitsschritt wie das Zurechtpolieren des Kristalls wird zum großen Problem, wenn man keine Erfahrung mit radioaktivem Material hat. Man kann nicht einfach Thorium-Staub im Labor erzeugen, der dann vielleicht eingeatmet werden kann.

Nebenbei ein ganz neuer Forschungsbereich

So befand sich Thorsten Schumm also in der merkwürdigen Situation, Expertise auf Weltniveau in einem Gebiet aufbauen zu müssen, das eigentlich gar nicht sein wahres Forschungsgebiet war: Das Ziel war immer, mit einem Laser Atomkerne anzuregen, also Quantenphysik und Kernphysik miteinander zu vereinen. Aber als Mittel zu diesem Zweck brauchte man eben auch einen Durchbruch in der Materialforschung – einem eigentlich ganz anderen Teilbereich der Physik.

„Nie hätte ich gedacht, dass ich zusätzlich auch noch Festkörperphysiker werden würde“, sagt Schumm. „Aber letztlich war das der Schlüssel zum Erfolg: Eben weil wir die Kristalle selbst herstellen, charakterisieren und vermessen, hatten wir den entscheidenden Vorsprung und waren gemeinsam mit unseren Kollegen in Braunschweig letztlich jenes Team, dem der entscheidende Schritt gelang.“

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Lange erhoffter Durchbruch: Erstmals Atomkern mit Laser angeregt, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster