Kurz gesagt: Eine Atomkernuhr bezieht ihren Takt nicht aus der Elektronenhülle eines Atoms, sondern aus einem Übergang im Atomkern selbst, beim Isotop Thorium-229. Im Oktober 2026 beschrieben Teams der TU Wien und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt sowie der Tsinghua-Universität in Nature die ersten laufenden Prototypen. Genauer als die besten Atomuhren sind sie noch nicht. Ihr Versprechen beruht darauf, dass ein Atomkern viel schwächer auf seine Umgebung reagiert als eine Elektronenhülle.
Wer in der Werkstatt eine Armbanduhr reguliert, hört ihr zu. Die Unruh schlägt fünf- bis zehnmal in der Sekunde, und eine gut eingestellte Uhr weicht um wenige Sekunden am Tag ab. Das ist eine relative Abweichung von einigen Hunderttausendsteln. Die besten Atomuhren der Welt sind rund zehn Billionen Mal genauer. Und doch suchen Physiker seit Jahrzehnten nach einem noch ruhigeren Taktgeber. Sie haben ihn im Inneren des Atoms gefunden, eine Etage tiefer als bisher.
Was tickt in einer Atomkernuhr?
Jede Uhr zählt Schwingungen. Seit 1967 ist die Sekunde über das Cäsiumatom definiert: als Dauer von 9 192 631 770 Schwingungen der Strahlung, die zu einem bestimmten Übergang in seiner Elektronenhülle gehört. Optische Atomuhren arbeiten mit sichtbarem Licht und damit mit viel schnelleren Schwingungen, bei Strontium rund 429 Billionen pro Sekunde. Je feiner eine Sekunde unterteilt ist, desto genauer lässt sie sich zählen, sofern der Takt selbst ruhig bleibt.
Eine Atomkernuhr nutzt stattdessen zwei Zustände des Atomkerns. Normalerweise trennen solche Kernzustände Tausende bis Millionen Elektronenvolt; dafür bräuchte man Gammastrahlung, für die es keine präzisen Laser gibt. Thorium-229 ist die bekannte Ausnahme. Sein erster angeregter Zustand liegt nur etwa 8,4 Elektronenvolt über dem Grundzustand. Das entspricht ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge von 148 Nanometern und rund 2 020 Billionen Schwingungen pro Sekunde. Im Jahr 2024 bestimmte eine Gruppe am JILA in Boulder diese Frequenz auf wenige Kilohertz genau, indem sie sie mit einer Strontiumuhr verglich.
Warum hat die Suche fast 50 Jahre gedauert?
Hinweise auf den ungewöhnlich niedrigen Kernzustand fanden Kernphysiker bereits 1976. 2003 schlugen Ekkehard Peik und Christian Tamm von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt vor, ihn als Uhr zu verwenden. Das Problem war die Suche selbst: Man kannte die Energie nur ungefähr und musste mit einem Laser nach einer extrem schmalen Linie in einem breiten Bereich fahnden, etwa so, als suche man einen bestimmten Sender auf einer Skala, deren Lage man nur grob kennt, mit einem Empfänger, der nur einen haarfeinen Ausschnitt hört. 2016 gelang einer Gruppe in München der direkte Nachweis des angeregten Zustands.
Im Frühjahr 2024 regten Forschende der PTB und der TU Wien den Thoriumkern erstmals gezielt mit Laserlicht an. Die Kerne steckten dabei in Kristallen aus Calciumfluorid, in die Thorium eingebaut ist. Noch handelte es sich um Spektroskopie: Man bestrahlte den Kristall und wartete auf das minutenlange Nachleuchten. Eine Uhr braucht aber einen Regelkreis, der ständig misst und nachstellt.
Genau das zeigen die beiden im Oktober 2026 in Nature erschienenen Arbeiten. In Wien wird ein ununterbrochen strahlender Laser bei 148 Nanometern durch den Thoriumkristall geschickt. Gemessen wird, wie viel Licht die Kerne schlucken. Driftet der Laser von der Resonanz weg, sinkt die Absorption, und die Elektronik zieht ihn zurück. Diese Uhr lief über 24 Stunden ohne Eingriff und wurde mit einer optischen Ytterbium-Ionenuhr verglichen. Die Gruppe in Peking zeigte unabhängig davon eine ähnliche Uhr; die Frequenzen zweier getrennt hergestellter Kristalle stimmten dort auf etwa ein Zehnbillionstel überein.
Ist die Atomkernuhr schon genauer als die Atomuhr?
Nein, noch nicht, und die Forschenden sagen das selbst. Die Wiener Uhr erreicht nach einem Tag eine relative Stabilität in der Größenordnung von 10−15. Die TU Wien übersetzt das in einen Fehler von etwa einer Sekunde in 30 Millionen Jahren. Die beste Strontiumuhr am JILA kennt ihre systematischen Abweichungen dagegen bereits auf 8 × 10−19 genau, also rund tausendmal besser. Beide Zahlen beschreiben nicht genau dieselbe Größe, zeigen aber den Abstand. Ekkehard Peik betont, mit der jetzt erreichten Stabilität stelle die Kernuhr noch keine Weltrekorde auf.
Der Grund für die Erwartungen liegt in der Physik des Kerns. Er ist mehr als zehntausendmal kleiner als das Atom und von dessen Elektronen umgeben. Elektrische und magnetische Störfelder, die bei Atomuhren aufwendig abgeschirmt und herausgerechnet werden müssen, greifen an ihm viel schwächer an. Theoretische Arbeiten halten deshalb für einzelne, in einer Falle gehaltene Thorium-Ionen eine Ungenauigkeit nahe 10−19 für möglich. Die Kristallvariante hat einen anderen Reiz: Sie enthält sehr viele Kerne zugleich und funktioniert bei Raumtemperatur, ohne dass einzelne Teilchen in einer Falle gehalten werden müssen. Das könnte robuste, kompakte Uhren ermöglichen. Ob sie die Genauigkeit der besten Laboruhren erreicht, ist offen; auch der Kristall verschiebt die Resonanz, und diese Einflüsse werden gerade vermessen.
Was misst eine Uhr, die tiefer schaut?
Die Geschichte der Zeitmessung lässt sich als Rückzug nach innen lesen. Zuerst diente der Himmel als Uhr, bis sich zeigte, dass die Erde unregelmäßig rotiert. Dann kamen das Pendel, die Unruh und der Quarz, schließlich die Elektronenhülle des Atoms. Jeder Schritt suchte einen Taktgeber, den die Welt weniger stört. Die Kernuhr setzt diese Bewegung fort, bis in einen Raum, der rund zehntausendmal kleiner ist als das Atom.
Gerade diese Abschirmung macht sie zu einem Instrument für die Welt draußen. Wenn zwei sehr gute Uhren unterschiedlich gehen, liegt es entweder an einer Uhr oder an der Natur. Optische Atomuhren messen bereits, dass die Zeit schon einen Millimeter höher im Schwerefeld minimal schneller vergeht, ein Effekt, der auch bei GPS berücksichtigt werden muss. Der Thoriumübergang reagiert nach einer Analyse von 2025 etwa tausendmal empfindlicher als die besten Atomuhren auf eine mögliche Änderung der Feinstrukturkonstante, der Zahl, welche die Stärke der elektromagnetischen Kraft bestimmt. Die Wiener Gruppe hat ihre Uhr bereits genutzt, um nach bestimmter dunkler Materie zu suchen. Gefunden hat sie nichts; ihre Grenzen sind aber teilweise schon schärfer als frühere.
Damit verschiebt sich die Frage, die eine Uhr stellt. Keine Uhr misst die Zeit an sich. Sie vergleicht Schwingungen, und das Ergebnis von 2024 war wörtlich ein Verhältnis: Kern gegen Hülle, 4,707072615078. Auch in der Werkstatt regulieren wir eine Uhr gegen eine bessere. Die Kernuhr öffnet die Möglichkeit, Taktgeber zu vergleichen, die auf verschiedene Naturkräfte unterschiedlich reagieren: Die Hülle wird von der elektromagnetischen Kraft bestimmt, der Kernübergang zusätzlich von der starken Kernkraft. Bleibt ihr Verhältnis über Jahre gleich, wissen wir genauer als je zuvor, dass unser Maß für eine Sekunde auf festem Grund steht. Ändert es sich, haben wir etwas Neues über die Natur gelernt.
Eine Atomkernuhr schenkt niemandem eine zusätzliche Minute. Sie verfeinert vielmehr die Frage, worauf wir uns verlassen, wenn wir sagen, zwei Dinge hätten gleich lang gedauert.
Quellen
L. A. Kroger und C. W. Reich, Features of the low-energy level scheme of 229Th as observed in the α-decay of 233U, Nuclear Physics A 259 (1976)
E. Peik und Chr. Tamm, Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in Th-229, Europhysics Letters 61 (2003)
C. J. Campbell et al., Single-ion nuclear clock for metrology at the 19th decimal place, Physical Review Letters 108 (2012)
L. von der Wense et al., Direct detection of the 229Th nuclear clock transition, Nature 533 (2016)
J. Tiedau et al., Laser excitation of the Th-229 nucleus, Physical Review Letters 132 (2024)
C. Zhang et al., Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock, Nature 633 (2024)
A. Aeppli et al., Clock with 8 × 10⁻¹⁹ systematic uncertainty, Physical Review Letters 133 (2024)
T. Bothwell et al., Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample, Nature 602 (2022)
K. Beeks et al., Fine-structure constant sensitivity of the Th-229 nuclear clock transition, Nature Communications 16 (2025)
I. Morawetz et al., Continuous-wave laser absorption spectroscopy of the thorium-229 nucleus, Nature 657 (2026)
L. Toscani De Col et al., A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop, Nature 658 (2026)
B. Huang et al., A nuclear clock synchronized to 229Th, Nature 658 (2026)
TU Wien, Die erste selbststabilisierende Atomkernuhr tickt in Wien, Pressemitteilung vom 7. Oktober 2026