De första kärnklockorna tickar i Wien och Peking efter 50 års jakt

En kärnklocka, som mäter tid med atomens kärna istället för dess elektroner, har äntligen börjat ticka. I Wien låstes en laser till toriumkärnor inneslutna i en kristall och höll sin egen rytm i över ett dygn utan att någon rörde den, och ett team i Peking byggde en andra klocka av samma slag på egen hand.

Det gör dem till de första fungerande kärnklockorna, en apparat som fysiker jagat i årtionden. Kärnan är liten och skyddad av sitt eget elektronskal, så ströfält, värme och vibrationer når knappt fram. En klocka byggd på den skulle en dag kunna hålla tiden mer stabilt än atomklockorna som styr satellitnavigering, internet och definitionen av sekunden.

Wienklockan kommer från Thorsten Schumms grupp vid TU Wien och Ekkehard Peiks grupp vid PTB, Tysklands nationella metrologiinstitut. Pekingklockan kommer från en grupp vid Tsinghuauniversitetet ledd av Shiqian Ding, i samarbete med 13 andra kinesiska institutioner. Båda artiklarna publicerades i samma nummer av Nature och båda använder samma sällsynta isotop, torium-229.

”Skapandet av en kärnklocka var något som fysiker drömt om i nästan 50 år”, sade Schumm till Reuters. Hans eget team har arbetat mot det sedan 2008.

Hur en kristall och en laser håller tiden

Varje klocka behöver något som svänger med en fast takt. I en pendelklocka är det pendeln. I en atomklocka är det ljuset som en elektron absorberar när den hoppar mellan två energinivåer, vilket i de bästa moderna optiska atomklockorna svänger långt snabbare än någon mekanisk del skulle kunna.

En kärnklocka flyttar den uppgiften in i kärnan. Protoner och neutroner har också energinivåer, men nästan alla ligger alldeles för högt för att nås av en laser. Torium-229 är undantaget: dess kärna har ett exciterat tillstånd som är lågt nog för att drivas av vakuumultraviolett ljus med en våglängd på cirka 148 nanometer. Att träffa det är fortfarande svårt. Lasern måste matcha övergångsenergin till inom en miljondels elektronvolt, enligt PTB.

Schumms team odlade kalciumfluoridkristaller dopade med torium-229, millimeterstora bitar som hyser ett stort antal kärnor i rumstemperatur. ”Grundidén är enkel: du har en laser och du har torium”, sade Schumm. Kärnorna absorberar ljus endast vid en exakt frekvens. Om lasern driver, till exempel för att rummet värms upp något, absorberar kristallen mindre, en detektor registrerar fallet och en återkopplingsslinga styr tillbaka lasern. Kärnorna blir referensen, och den korrigerade laserfrekvensen blir klockans tick.

Två tekniska förändringar möjliggjorde detta. PTB och Max Born-institutet i Berlin byggde en kompakt halvledarlaser som avger kontinuerligt; det äldre systemet fyllde flera kvadratmeter optiskt bord och avfyrade endast pulser. Teamen slutade också att mäta det svaga sken som kärnorna avger efter excitation, vilket tog cirka tio minuter att avläsa, alldeles för långsamt för att styra en laser. Istället mäter de hur mycket lasereffekt kristallen sväljer, en signal som är tillräckligt snabb för att sluta slingan.

Wien mot Peking

Wienklockan kördes i över 24 timmar utan uppsikt medan den jämfördes med en konventionell optisk atomklocka. Dess relativa instabilitet var cirka 3 × 10⁻¹² över en sekunds medelvärdesbildning, och spridningen minskade mot 10⁻¹⁵ över ett dygn. TU Wien översätter det till ett fel på ungefär en sekund på 30 miljoner år, en siffra beräknad över ett dygns körning, inte observerad över miljoner år.

Pekingklockan är stabilare över korta tider. Dess instabilitet över en sekund är cirka sex gånger lägre än Wienklockans, enligt siffror som rapporterats av Physics World. Dings team byggde sin egen kontinuerliga laser vid 148,4 nanometer med högre effekt, och de lärde sig att odla små kristaller från bara 1,4 mikrogram torium-229, eftersom Kina har begränsad tillgång till isotopen. Två oberoende odlade kristaller gav samma övergångsfrekvens, vilket också matchade tidigare mätningar av JILA i Colorado.

Schumm ser de två resultaten som kompletterande. Wienkristallerna har en högre koncentration av torium och bättre optiska egenskaper, sade han till Reuters, medan Pekingteamet har den starkare lasern. ”Så redan genom att sätta ihop dessa komponenter kan vi bygga en betydligt bättre klocka”, sade han.

”De två teamen arbetade oberoende och nådde fungerande torium-229 kärnklockor samtidigt, med olika experimentella angreppssätt”, sade Ding till Reuters, och tillade att detta visar ”att konceptet är robust.”

Vad dessa klockor inte gör än

Ingen av klockorna slår de atomklockor den mättes mot. ”Det här är ännu inte på nivå med världens bästa optiska atomklockor”, sade Schumm. Peik uttryckte sig mer rakt på sak i PTB:s tillkännagivande: stabiliteten ”sätter ännu inga världsrekord.”

Den största skillnaden är skärpan i resonansen. ”Vi har nu sett 30 kHz linjebredd, men den naturliga linjebredden borde vara långt under 1 Hz”, sade Peik till Physics World. En suddig resonans innebär ett suddigt tick. Själva kristallen är en del av pusslet: torium sitter på flera olika platser i kalciumfluoridgittret, och teamen arbetar fortfarande med att förstå hur det formar resonansen. Ding har sagt att kalciumfluorid-värdkristaller begränsar prestandan och att bättre värdmaterial behövs.

Båda maskinerna är också laboratorieprototyper. De är beroende av referensklockor för jämförelse, av specialbyggda ultravioletta lasrar och av en isotop som är svår att få tag på. En robust apparat som ett fartyg, en satellit eller ett datacenter skulle kunna bära är fortfarande en lång ingenjörsväg bort.

Varför fysiker vill ha en bättre klocka

Klockor bestämmer redan mer av vardagen än de flesta märker. Satellitnavigering beräknar position från små skillnader i signalernas timing. Datanätverk synkroniseras mot atomtid. Lantmätare och geofysiker använder det faktum att klockor tickar i olika takt på olika höjder i jordens gravitation.

En kärnklocka tillför två saker. För det första, en solid-state-design, utan infångade atomer eller joner i vakuumkammare, kan så småningom göra precisionstidtagning mindre och tåligare. För det andra beror toriumövergången på krafterna inuti kärnan, så den borde reagera långt starkare än atomära övergångar om en naturkonstant driver eller om någon form av mörk materia drar i vanlig materia. Wien-teamet körde redan det testet med sin prototyp. Den fann ingen signal från mörk materia, men dess gränser för mörk materias koppling till ljus och till den starka kraften är redan jämförbara med dem som satts av de bästa atomklockorna.

Victor Flambaum vid University of New South Wales, som inte var involverad, kallade apparaterna för ”de första prototyperna av kärnklockor.” Schumms omdöme var bredare: ”Det ger tillgång till ett helt nytt fysikuniversum.”

Vanliga frågor om kärnklockan

Vad är en kärnklocka?

En kärnklocka håller tiden med hjälp av en övergång inuti en atomkärna istället för ett hopp mellan elektronenerginivåer. En laser ställs in på den exakta frekvens som kärnan absorberar, och den frekvensen blir klockans tick. Torium-229 är den enda kända kärnan med en övergång som är låg nog i energi för att nås med en laser.

Är en kärnklocka radioaktiv eller farlig?

Den har inget med fission eller fusion att göra och producerar ingen kärnenergi. Torium-229 är en radioaktiv isotop, men klockorna använder små mängder inneslutna i en kristall, och lasern knuffar bara kärnan till ett något högre energitillstånd.

Är en kärnklocka mer exakt än en atomklocka?

Inte än. Prototyperna i Wien och Peking är mindre stabila än de bästa optiska atomklockorna. Förväntningen är att kärnan, som är långt mindre och bättre skyddad än elektronskalet, så småningom kommer att möjliggöra bättre prestanda när lasrar och kristaller förbättras.

Vad kan kärnklockor användas till?

Forskare pekar på satellitnavigering, nätverkssynkronisering, lantmäteri och fundamental fysik. Eftersom toriumövergången är mycket känslig för krafterna inuti kärnan är dessa klockor också verktyg för att söka efter mörk materia och förändringar i naturkonstanterna.

Starkare lasrar, bättre kristaller, enstaka joner

Toriumkärnan exciterades för första gången med en laser i april 2024, av Schumms och Peiks team, årtionden efter att Peik föreslog principen för kärnklockan 2003. Den hösten kopplades uppställningen till en konventionell optisk atomklocka. Den självstabiliserande Wienklockan beskrivs i en artikel i Nature publicerad den 7 oktober 2026, tillsammans med Tsinghua-artikeln i samma nummer och en följeslagarartikel från PTB och TU Wien om kontinuerlig laserabsorption av toriumkärnan, publicerad i Nature i september.

Nästa steg är konkreta. Peiks grupp planerar att öka lasereffekten, förbättra detektorns signal-brusförhållande och kartlägga hur torium sitter i kristallen för att hitta vad som suddar resonansen. Dings team söker efter värdkristaller bättre än kalciumfluorid och är intresserade av en klocka byggd på enstaka infångade toriumjoner, vilket Ding kallade ”tekniskt mycket svårare” men möjligen vägen till högsta noggrannhet.

Referenser: Toscani De Col et al., ”A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang et al., ”A nuclear clock synchronized to 229Th,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

Taggar: fysik, atomur, kärnklocka, PTB, thorium-229, Tsinghua University