Fyzici prokázali všechny složky atomových hodin - zařízení, která měří dobu měřením malých posunů energie v atomovém jádru. Takové hodiny by mohly vést k významnému zlepšení přesných měření a také k novým poznatkům v základní fyzice.

Vědci měřili frekvenci světla, které způsobuje, že jádra vzácného izotopu Thorium -229 přechází do stavu s vyšší energií - „hodiny“ atomových hodin - s přesností 100 000krát vyšší než předchozí nejlepší hodnota. Dosáhli toho synchronizací migrace energie s hodinami nejpřesnějších hodin na světě. Práce vedl Jun Ye v Jila, výzkumném institutu v Boulderu v Coloradu a vydal 5. září v přírodě. "Je to opravdu jeden z nejzajímavějších článků v nedávné paměti," říká Marianna Safronova, jaderná fyzická fyzikální lékařka na University of Delaware v Newarku.

Průlom přišel zkoumáním jádra Thorium-229 laserovým zařízením zvaným frekvenční hřeben. Nastavení není technicky hodinky, protože dosud nebylo použito k měření času. Ale takové působivé výsledky umožňují rozvoj atomových hodin, říká Safronova.

Měření hodin se již ukázala jako užitečná ve fyzice částic, říká Elina Fuchs, teoretická fyzická lékařka na Leibniz University Hannover v Německu. A protože frekvence hodin je určena základními silami, které drží jádro pohromadě, prototyp mohl určit, zda typ temné hmoty - neviditelná látka, která tvoří asi 85% věci ve vesmíru - ovlivňuje tyto síly v malém měřítku. "Jedná se o nové přímé okno do jaderné energie," říká Fuchs.

Konečné hodinky

Nejlepší hodiny na světě, nazývané atomové hodiny, měří dobu pomocí laserů - frekvence světla je přesně vyladěna tak, aby se dosáhlo energie potřebné k přesunu elektronů mezi dvěma energetickými hladinami v atomu. Nejpřesnější atomové hodiny zisky nebo ztrácí pouze jednu sekundu každých 40 miliard let. Atomové hodiny by fungovaly poněkud odlišně: hodiny by odpovídaly energetickým přechodům protonů a neutronů, spíše než elektrony, když vstupují do vzrušeného stavu.

Tento energetický posun vyžaduje mírně vyšší, ultrafialovou frekvenci, což má za následek rychlejší načasování, které by mohlo odpovídat nebo překročit přesnost atomových hodin. Největší potenciální výhoda atomových hodin však spočívá v kombinaci přesnosti a stability. Částice v jádru jsou méně citlivé než elektrony k poruchám, jako jsou elektromagnetická pole - což znamená, že atomové hodiny mohou být přenosné a robustní. "Je to znecitlivěné způsobem, který je těžké si představit, pokud jde o to, jak naše hodiny fungují dnes," říká Anne Curtis, experimentální fyzikální lékařka v Národní fyzické laboratoři v Teddingtonu ve Velké Británii.

Nalezení správného typu atomového jádra pro použití a určování frekvence potřebné k jeho posunu do jiného energetického stavu bylo pro fyziky 50letý slog. V 70. letech nepřímé důkazy naznačují, že Thorium-229 měl podivně nízkoenergetický jaderný přechod-ten, který by mohl být nakonec spuštěn stolní plazmou. Až v loňském roce však vědci objevili potřebnou frekvenci - a letos úspěšně zahájili přechod laserem.

Tým Jila hledal frekvenci přechodu v bilionech atomů Thorium-229 zabudované do krystalu pomocí systému známého jako frekvenční hřeben. Hřeben vytváří řadu laserových frekvenčních linií, které jsou pravidelně a rovnoměrně rozloženy. To umožňuje vědcům osvětlit krystal na mnoha přesných frekvencích najednou, aby hledali zásah, spíše než pracně prohledávání spektra možných možností pomocí jednofrekvenčního laseru.

Nastavení hřebenu - včetně šířky mezer mezi čarami nebo „zuby“ - byla kalibrována atomovým hodinami a mohla být upravena. Tým provedl několik experimentálních běhů, a když pozorovali charakteristickou záři, ke které dochází, když se atomy Thorium-229 rozpadu z jejich vzrušeného stavu, použili nastavení k výpočtu frekvence, která ovládá signál.

Pozorování přechodu poprvé „se cítil úžasný“, říká spoluautor studie Chuankun Zhang, fyzik v Jila. "Testovali jsme celou noc, abychom zkontrolovali, zda to byl skutečně signál, který jsme hledali," říká.

Základní síly

Na frekvenčním hřebenu je zvláštní, že umožňuje fyzikům měřit frekvenční hodiny hodin - zde jádro Thorium -229 - jako poměr k jiné známé frekvenci, v tomto případě atomové hodiny. To nejen umožnilo týmu určit absolutní frekvenční hodnotu s vysokou přesností, ale také otevřelo některé zajímavé možnosti ve fyzice, říká Zhang.

Pokud se rychlost hodin jedné hodiny změní v průběhu času ve srovnání s jiným, mohlo by to naznačovat, že faktory, které určují hladinu energie - jako je silná jaderná nebo elektromagnetická síla - unášejí nebo kolísají, říká Fuchs. Předpokládá se, že určité „lehké“ formy temné hmoty, které mají extrémně nízkou hmotu, mají tento účinek, říká.

Jakákoli změna sil by byla amplifikována ve frekvenci jádrové vnitřní migrace, takže atomové hodiny by mohly být potenciálně asi 100 milionůkrát citlivějších na účinky tohoto typu tmavé hmoty než atomové hodiny. Nejnovější výsledek - který určuje frekvenci k přesnosti 13 desetinných míst - je již dostatečně přesný, aby zúžil možné energetické rozsahy, ve kterých by mohla existovat světlá temná hmota, říká Fuchs. Jaderná fyzika by také mohla těžit z přesnější frekvence přechodu, což by mohlo vědcům pomoci rozlišovat mezi různými možnými formami jádra Thorium-229.

Je však třeba provést více práce, než atomové hodiny mohou překonat atomové hodiny - které jsou v současné době přesné na 19 desetinných místech. Vědci budou studovat, zda má smysl udržet Thorium -229 zabudované do krystalu - pevná látka je užitečná pro výrobu nositelných hodinek - nebo zda omezující jednotlivé atomy by přinesly lepší výsledky.

Laserový systém musí být také optimalizován. "Naštěstí má tato úžasná technika velký potenciál," říká Olga Kocharovskaya, fyzik na Texas A&M University na College Station. Je to „prototyp zdroje, který se má použít v budoucích hodinek,“ dodává.