Nukleare Atomuhr: Thorsten Schumm erhält ERC Starting Grant

Mit der Verleihung des START-Preises im Oktober 2009 beginnt für Schumm eine großartige Reise und mit der Zuerkennung des ERC Starting Grants kommt er seinem Ziel, „eine nukleare Atomuhr zu bauen“, wieder einen Schritt näher. Seit Beginn des START-Projektes im Jänner 2010 baut Thorsten Schumm gemeinsam mit seinen Kollegen Georg Steinhauser (Postdoc), Georg Winkler (PhD) und Michael Schreitl (PhD) ein Forschungsteam auf, das am Atominstitut das Projekt vorantreibt.

Wie genau geht die Uhr?

Das Radioisotop 229-Thorium ist das einzige Atom, welches eine Brücke zwischen den bisher getrennten Welten der Atom- und Kernphysik schlagen könnte. Es besitzt einen Anregungszustand des Atomkernes bei derart außergewöhnlich niedriger Energie, dass atomphysikalische Methoden, insbesondere Spektroskopie mit Lasern, eingesetzt werden können. Ziel des Projektes ist es, diesen „optischen“ Kernübergang nachzuweisen und direkt für Anwendungen und grundlegende physikalische Untersuchungen nutzbar zu machen.

Unsere „Sekunde“ ist derzeit definiert als 9.192.631.770 Schwingungen einer Lichtwelle, die zu einer spezifischen Anregung der Elektronenhülle des Cäsium Atoms führt. Anregungen der Elektronenhülle sind jedoch sehr empfindlich auf magnetische und elektrische Felder, sodass die Atome in sogenannten „Atomuhren“ aufwändig abgeschirmt werden müssen. Zusätzlich müssen die Messungen im ballistischen (freien) Fall durchgeführt werden, eine weitere Verbesserung des konventionellen Atomuhr-Konzeptes benötigt daher satellitengestützte Aufbauten. Würde man stattdessen den optischen 229-Thorium Kernübergang verwenden, so könnte man die Genauigkeit unseres Zeitstandards um viele Größenordnungen erhöhen, gleichzeitig vereinfacht sich der apparative Aufwand erheblich, weder Abschirmung noch ballistische Messungen sind notwendig. Die Demonstration einer derartigen „nuklearen Atomuhr“ ist Ziel des Projekts.

Einzigartige Forschungsumgebung an der TU Wien

Im Zuge des Umbaus am Atominstitut wird derzeit ein sehr spezielles, neues Labor exakt für dieses Projekt gebaut, das einerseits höchsten Ansprüchen für Laserbetrieb gerecht wird (extreme Temperaturstabilität, vibrationsarm) und andererseits eine Strahlenschutzfreigabe mit entsprechenden Einrichtungen besitzt. „Diese Umgebung ist wirklich einzigartig und demonstriert das Engagement der TU Wien für dieses Projekt.“, ist Schumm begeistert. Die Fertigstellung ist für Oktober 2010 geplant. Generell ist die Kombination von Kern-/Teilchenphysik und Präzisions-Laser-Spektroskopie sehr selten und mit wenigen Ausnahmen weltweit nur am Atominstitut an der TU Wien möglich.

Zur Person

Der Lebenslauf des 1975 geborenen Berliners ist beeindruckend: Studium Maschinenbau (1995 – 1996, TU Berlin), anschließend Studium Physik und Philosophie (1996 – 2002, FU Berlin), schließlich Diplom („mit Auszeichnung“) in Experimentalphysik an den Universitäten Innsbruck und Heidelberg (2000 – 2002). Das Doktorat in Form einer europäischen Doppelpromotion (Cotutelle de thèse) setzte Schumm von 2003 bis 2005 an der Université Paris Sud und der Universität Heidelberg (Summa cum laude, „très honorable“) drauf.

Berufliche Laufbahn: Seit 2006 ist Thorsten Schumm Universitätsassistent am Atominstitut der TU Wien und seit 2008 Mitglied und Themenprogrammleiter am Wolfgang Pauli Institut. 2006 war der Physiker als Postdoc in den McLennan Physical Labs an der University of Toronto tätig.

International vernetzt

Das Projekt ist mittlerweile in eine sehr starke internationale Kollaboration eingebettet, sowohl in Europa als auch in den USA. Die Projektpartner sind unter anderem:

– Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig
– Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme und Bauelemente (IISB), Erlangen
– Institut für Kristallzüchtung (IKZ), Berlin
– Max-Born Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Berlin
– Keele University, England
– University of California, Los Angeles, USA