Świat odmierza czas za pomocą tyknięć zegarów atomowych, ale nowy typ zegara, nad którym trwają prace — zegar jądrowy — może zrewolucjonizować sposób, w jaki mierzymy czas i badamy podstawowe prawa fizyki.
Międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez naukowców z JILA, wspólnego instytutu Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) i University of Colorado Boulder, zademonstrował kluczowe elementy zegara jądrowego. Zegar jądrowy to nowy typ urządzenia do pomiaru czasu, który wykorzystuje sygnały z rdzenia lub jądra atomu. Zespół użył specjalnie zaprojektowanego lasera ultrafioletowego, aby precyzyjnie zmierzyć częstotliwość skoku energii w jądrach toru osadzonych w stałym krysztale. Zastosowali również optyczny grzebień częstotliwości, który działa jak niezwykle dokładna linijka światła, aby policzyć liczbę cykli fal ultrafioletowych, które powodują ten skok energii. Chociaż ta demonstracja laboratoryjna nie jest w pełni rozwiniętym zegarem jądrowym, zawiera całą podstawową technologię dla niego.
Zegary nuklearne mogą być znacznie dokładniejsze niż obecne zegary atomowe, które zapewniają oficjalny czas międzynarodowy i odgrywają ważną rolę w technologiach takich jak GPS, synchronizacja internetowa i transakcje finansowe. Dla ogółu społeczeństwa ten rozwój może ostatecznie oznaczać jeszcze dokładniejsze systemy nawigacyjne (z GPS lub bez), szybsze prędkości Internetu, bardziej niezawodne połączenia sieciowe i bezpieczniejszą komunikację cyfrową.
Poza codzienną technologią zegary jądrowe mogłyby usprawnić testy fundamentalnych teorii dotyczących działania wszechświata, co potencjalnie prowadziłoby do nowych odkryć w fizyce. Mogłyby pomóc wykryć ciemną materię lub zweryfikować, czy stałe natury są rzeczywiście stałe, umożliwiając weryfikację teorii w fizyce cząstek bez potrzeby stosowania wielkoskalowych akceleratorów cząstek.
Precyzja laserowa w pomiarze czasu
Zegary atomowe mierzą czas, dostrajając światło laserowe do częstotliwości, które powodują przeskakiwanie elektronów między poziomami energii. Zegary jądrowe wykorzystywałyby skoki energii w maleńkim centralnym regionie atomu, znanym jako jądro, gdzie cząstki zwane protonami i neutronami gromadzą się razem. Te skoki energii są bardzo podobne do przełączenia przełącznika światła. Świecenie światłem laserowym o dokładnej ilości energii potrzebnej do tego przeskoku może przełączyć ten jądrowy „przełącznik”.
Zegar jądrowy miałby duże zalety dla precyzji zegara. W porównaniu z elektronami w zegarach atomowych, jądro jest znacznie mniej podatne na zakłócenia zewnętrzne, takie jak rozproszone pola elektromagnetyczne. Światło lasera potrzebne do wywołania skoków energii w jądrach ma znacznie wyższą częstotliwość niż ta wymagana w zegarach atomowych. Ta wyższa częstotliwość — oznaczająca więcej cykli falowych na sekundę — jest bezpośrednio związana z większą liczbą „tyknięć” na sekundę, a zatem prowadzi do dokładniejszego pomiaru czasu.
Ale bardzo trudno jest stworzyć zegar jądrowy. Aby dokonać skoków energii, większość jąder atomowych musi zostać uderzona spójnymi promieniami X (wysokoczęstotliwościową formą światła) o energiach znacznie większych niż te, które można uzyskać przy użyciu obecnej technologii. Dlatego naukowcy skupili się na torze-229, atomie, którego jądro ma mniejszy skok energii niż jakikolwiek inny znany atom, wymagający światła ultrafioletowego (które ma niższą energię niż promienie X).
W 1976 roku naukowcy odkryli ten skok energii toru, znany jako „przejście jądrowe” w języku fizyki. W 2003 roku naukowcy zaproponowali wykorzystanie tego przejścia do stworzenia zegara i zaobserwowali je bezpośrednio dopiero w 2016 roku. Na początku tego roku dwa różne zespoły badawcze wykorzystały lasery ultrafioletowe, które stworzyły w laboratorium, aby przełączyć „przełącznik” jądrowy i zmierzyć długość fali światła potrzebną do tego.
W nowej pracy badacze JILA i ich współpracownicy tworzą wszystkie niezbędne części zegara: przejście jądrowe toru-229, aby zapewnić „tyknięcia” zegara, laser, aby tworzyć precyzyjne skoki energii między poszczególnymi stanami kwantowymi jądra, oraz grzebień częstotliwości do bezpośrednich pomiarów tych „tyknięć”. To przedsięwzięcie osiągnęło poziom precyzji, który jest milion razy wyższy niż poprzedni pomiar oparty na długości fali. Ponadto porównali tę częstotliwość ultrafioletową bezpośrednio z częstotliwością optyczną używaną w jednym z najdokładniejszych zegarów atomowych na świecie, który wykorzystuje atomy strontu, ustanawiając pierwsze bezpośrednie połączenie częstotliwości między przejściem jądrowym a zegarem atomowym. To bezpośrednie połączenie częstotliwości i zwiększenie precyzji są kluczowym krokiem w opracowaniu zegara jądrowego i zintegrowaniu go z istniejącymi systemami pomiaru czasu.
Badania te przyniosły już niespotykane dotąd rezultaty, w tym możliwość zaobserwowania szczegółów kształtu jądra toru, których nikt wcześniej nie zauważył – to jak oglądanie pojedynczych źdźbeł trawy z samolotu.
Zespół przedstawia swoje wyniki w numerze czasopisma z 4 września Natura jako historia przykrywkowa.
Ku przyszłości nuklearnej
Choć nie jest to jeszcze działający zegar jądrowy, jest to kluczowy krok w kierunku stworzenia takiego zegara, który mógłby być zarówno przenośny, jak i wysoce stabilny. Zastosowanie toru osadzonego w stałym krysztale, w połączeniu ze zmniejszoną wrażliwością jądra na zakłócenia zewnętrzne, otwiera drogę do potencjalnie kompaktowych i solidnych urządzeń do pomiaru czasu.
„Wyobraź sobie zegarek naręczny, który nie straciłby ani sekundy, nawet gdybyś zostawił go włączonego przez miliardy lat” – powiedział fizyk NIST i JILA Jun Ye. „Choć jeszcze tam nie jesteśmy, to badania te przybliżają nas do tego poziomu precyzji”.
W skład zespołu badawczego weszli naukowcy z JILA, wspólnego instytutu NIST i University of Colorado Boulder, Wiedeńskiego Centrum Nauki i Technologii Kwantowej oraz IMRA America, Inc.
