W Austrii i Chinach powstały pierwsze zegary jądrowe

9 godz. temu | Astronomia/fizyka

W niewielkich kryształach zawierających tor-229 zaczyna się nowy rozdział historii precyzyjnych pomiarów czasu. Dwa niezależne zespoły, europejski i chiński, zbudowały pierwsze zegary jądrowe. Jeden z nich już wykorzystano do poszukiwania śladów ciemnej materii, drugi do pokazania, jak poprawić stabilność nowej technologii. Artykuły opisujące osiągnięcia obu zespołów zostały opublikowane 7 października na łamach Nature.

Dotychczas słyszeliśmy o zegarach atomowych. To urządzenia, które korzystają z przejść między stanami energetycznymi związanymi z elektronami. To zegary wykorzystujące cez, stront czy iterb. Elektrony dostarczają tutaj wzorca częstotliwości dla zegara. Dzięki nim mamy zegary atomowe. Najdoskonalsze z nich pracują z dokładnością 10^-19, czyli odchylenie może wynieść 1 sekundę na około 300 miliardów lat. Po co więc sięgać głębiej, do jądra atomu? Bo zegary jądrowe wykorzystują przejścia między stanami energetycznymi jądra. Otóż jądro jest znacznie mniej podatne na zakłócenia zewnętrzne. To daje nadzieję na skonstruowanie jeszcze lepszych wzorców czasu.

Problem w tym, że przejścia w jądrze atomu wymagają energii zbyt dużych dla laserów, które można by w takich zegarach zastosować. Tor-229 jest wyjątkiem. Jego stan wzbudzony dzieli od stanu podstawowego zaledwie 8,4 elektronowolta. Dzięki temu jądra tego pierwiastka można pobudzić laserem ultrafioletowym o długości fali około 148 nm. A ponieważ jądro słabiej reaguje na wiele zakłóceń z otoczenia niż powłoka elektronowa, naukowcy mają nadzieję, że uda im się uzyskać wyjątkowo stabilne wzorce czasu.

Tor już wcześniej wzbudzano laserem. Teraz oba zespoły wykonały niezwykle ważny krok. Wykorzystały reakcję jąder do automatycznego dostrajania lasera. Gdy jego częstotliwość zaczyna odbiegać od rezonansu jądrowego, zmiana ta zostaje wykryta i automatycznie skorygowana. Dzięki temu urządzenie utrzymuje właściwy rytm.

Zespół z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu i niemieckiego instytutu metrologicznego PTB – na czele którego stali Luca Toscani de Col i Thomas Riebner – zaprezentował zegar jądrowy, który pracował przez około dobę bez interwencji człowieka. W jednym z trybów pracy częstotliwość była automatycznie korygowana co około 20 sekund. Uczeni porównali działanie swojego zegara z zegarem atomowym opartym na pojedynczym jonie iterbu. Szukali drobnych zmian stosunku ich częstotliwości. Takie zmiany mogłyby być skutkiem oddziaływania ultralekkiej ciemnej materii. Nie znaleziono istotnego sygnału.

Zespół chiński, z Uniwersytetu Tsinghua i innych instytucji – tutaj pracami kierowali Beichen Huang, Gaowei Yan, Qi Xiao, Wenhao Bu, Chengchun Zhao, Zhen Zhang i Chao Yan – postawił na mocniejsze światło, ulepszenie kryształów i detekcji. Po optymalizacji chiński zegar osiągnął około 6-krotnie mniejszą niestabilność częstotliwości. Naukowcy z Państwa Środka sprawdzili też w swoim urządzeniu dwa niezależnie wyhodowane kryształy. Częstotliwości przejścia zgadzały się w nich na poziomie 10^-13. To bardzo ważny test, bo użyteczny zegar jądrowy powinien dawać zgodne wyniki w różnych wersjach urządzenia.

Obie prace pokazują, ile pozostaje do zrobienia. Najlepsze zegary atomowe nadal wyznaczają wzór, do którego zegary jądrowe dopiero będą dążyły. Jednak już teraz widzimy, że jądra toru potrafią regulować działający zegar i dostarczać danych, które pozwalają sprawdzać prawa fizyki.

Źródła:
A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop

A nuclear clock synchronized to ²²⁹Th

zegar jądrowy zegar atomowy tor-229 pomiar czasu