Οι φυσικοί έχουν επιδείξει όλα τα συστατικά ενός ατομικού ρολογιού - συσκευές που μετρούν το χρόνο μετρώντας τις μικροσκοπικές ενεργειακές μετατοπίσεις μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα. Αυτά τα ρολόγια θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε σημαντικές βελτιώσεις στις μετρήσεις ακριβείας καθώς και σε νέες γνώσεις στη θεμελιώδη φυσική.

Οι ερευνητές μέτρησαν τη συχνότητα του φωτός που προκαλεί τους πυρήνες του σπάνιου ισότοπου θορίου -229 σε μετάβαση σε υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση - το "ρολόι" του ατομικού ρολογιού - με ακρίβεια 100.000 φορές υψηλότερη από την προηγούμενη καλύτερη τιμή. Το πέτυχαν αυτό συγχρονίζοντας τη μετανάστευση ενέργειας με το ρολόι του πιο ακριβούς ρολογιού στον κόσμο. Το έργο οδηγήθηκε από τον Jun Ye στο Jila, ένα ερευνητικό ινστιτούτο στο Boulder, Κολοράντο, και δημοσιεύθηκε στις 5 Σεπτεμβρίου στη φύση. "Είναι πραγματικά ένα από τα πιο συναρπαστικά έγγραφα στην πρόσφατη μνήμη", λέει η Marianna Safronova, πυρηνικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Delaware στο Newark.

Η ανακάλυψη ήρθε εξετάζοντας τους πυρήνες του θορίου-229 με μια συσκευή λέιζερ που ονομάζεται χτένα συχνότητας. Η ρύθμιση δεν είναι τεχνικά ένα ρολόι, καθώς δεν έχει ακόμη χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση του χρόνου. Αλλά τέτοια εντυπωσιακά αποτελέσματα καθιστούν την ανάπτυξη ενός ατομικού ρολογιού δυνατό, λέει η Safronova.

Οι μετρήσεις του ρολογιού αποδεικνύονται ήδη χρήσιμες στη φυσική των σωματιδίων, λέει η Elina Fuchs, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Leibniz του Αννόβερο της Γερμανίας. Και δεδομένου ότι η συχνότητα του ρολογιού καθορίζεται από τις θεμελιώδεις δυνάμεις που συγκρατούν τον πυρήνα μαζί, το πρωτότυπο θα μπορούσε να καθορίσει εάν ένας τύπος σκοτεινής ύλης - μια αόρατη ουσία που αποτελεί περίπου το 85% του θέματος στο σύμπαν - επηρεάζει αυτές τις δυνάμεις σε μια μικρή κλίμακα. "Αυτό είναι ένα νέο, άμεσο παράθυρο σε πυρηνική ενέργεια", λέει ο Fuchs.

Τελικό ρολόι

Τα καλύτερα ρολόγια του κόσμου, που ονομάζονται ατομικά ρολόγια, μετρούν το χρόνο χρησιμοποιώντας τα λέιζερ - η συχνότητα του φωτός συντονίζεται με ακρίβεια για να επιτύχει την ενέργεια που απαιτείται για να μετακινηθεί ηλεκτρόνια μεταξύ δύο επιπέδων ενέργειας μέσα σε ένα άτομο. Τα πιο ακριβή κέρδη ατομικού ρολογιού ή χάνουν μόνο ένα δευτερόλεπτο κάθε 40 δισεκατομμύρια χρόνια. Ένα ατομικό ρολόι θα λειτουργούσε ελαφρώς διαφορετικά: το ρολόι θα αντιστοιχούσε στις ενεργειακές μεταβάσεις των πρωτονίων και των νετρονίων και όχι στα ηλεκτρόνια, καθώς εισέρχονται σε διεγερμένη κατάσταση.

Αυτή η μετατόπιση ενέργειας απαιτεί μια ελαφρώς υψηλότερη, υπεριώδη συχνότητα, με αποτέλεσμα ταχύτερο χρονισμό που θα μπορούσε να ταιριάζει ή να υπερβαίνει την ακρίβεια του ατομικού ρολογιού. Αλλά το μεγαλύτερο δυνητικό πλεονέκτημα του ατομικού ρολογιού έγκειται στον συνδυασμό ακρίβειας και σταθερότητας. Τα σωματίδια στον πυρήνα είναι λιγότερο ευαίσθητα από τα ηλεκτρόνια σε διαταραχές όπως τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία - που σημαίνει ότι ένα ατομικό ρολόι μπορεί να είναι φορητό και ισχυρό. "Γίνεται απευαισθητοποιημένο με τρόπο που είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς από την άποψη του τρόπου λειτουργίας των ρολογιών μας σήμερα", λέει η Anne Curtis, πειραματική φυσική στο Εθνικό Φυσικό Εργαστήριο στο Teddington του Ηνωμένου Βασιλείου.

Αλλά η εύρεση του σωστού τύπου ατομικού πυρήνα για χρήση και καθορισμό της συχνότητας που απαιτείται για να μετατοπιστεί σε διαφορετική ενεργειακή κατάσταση ήταν ένα 50ετές slog για τους φυσικούς. Στη δεκαετία του 1970, έμμεσες ενδείξεις υποδηλώνουν ότι το θόριο-229 είχε μια παράξενη πυρηνική μετάβαση χαμηλής ενέργειας-που θα μπορούσε τελικά να ενεργοποιηθεί από το επιτραπέζιο πλάσμα. Αλλά δεν ήταν μέχρι πέρυσι ότι οι επιστήμονες ανακάλυψαν την απαιτούμενη συχνότητα - και φέτος ξεκίνησαν με επιτυχία τη μετάβαση με ένα λέιζερ.

Η ομάδα Jila έψαχνε για τη συχνότητα μετάβασης σε τρισεκατομμύρια άτομα θόριο-229 ενσωματωμένα στο κρύσταλλο χρησιμοποιώντας ένα σύστημα γνωστό ως χτένα συχνότητας. Η χτένα δημιουργεί μια σειρά γραμμών συχνότητας λέιζερ που είναι τακτικά και ομοιόμορφα. Αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να φωτίζουν τον κρύσταλλο σε πολλές ακριβείς συχνότητες ταυτόχρονα για να αναζητήσουν ένα χτύπημα, αντί να σαρώνουν εργατικά μέσα από το φάσμα πιθανών επιλογών με λέιζερ μιας συχνότητας.

Οι ρυθμίσεις της χτένας - συμπεριλαμβανομένου του πλάτους των κενών μεταξύ των γραμμών ή των "δοντιών" - βαθμονομήθηκαν χρησιμοποιώντας το ατομικό ρολόι και μπορούσαν να ρυθμιστούν. Η ομάδα διεξήγαγε αρκετές πειραματικές διαδρομές και, καθώς παρατηρούσαν τη χαρακτηριστική λάμψη που συμβαίνει όταν τα άτομα του θορίου-229 αποσυντίθενται από την διεγερμένη κατάστασή τους, χρησιμοποίησαν τις ρυθμίσεις για να υπολογίσουν τη συχνότητα που ελέγχει το σήμα.

Παρατηρώντας τη μετάβαση για πρώτη φορά "αισθάνθηκε καταπληκτική", λέει ο συν-συγγραφέας της μελέτης Chuankun Zhang, φυσικός στη Jila. "Κάναμε δοκιμές όλη τη νύχτα για να ελέγξουμε αν αυτό ήταν πράγματι το μήνυμα που αναζητούσαμε", λέει.

Βασικές δυνάμεις

Αυτό που είναι ξεχωριστό για τη χτένα συχνότητας είναι ότι επιτρέπει στους φυσικούς να μετρήσουν το ρολόι συχνότητας ενός ρολογιού - εδώ ο πυρήνας θορίου -229 - ως αναλογία σε μια άλλη γνωστή συχνότητα, στην περίπτωση αυτή ένα ατομικό ρολόι. Αυτό όχι μόνο επέτρεψε στην ομάδα να καθορίσει την απόλυτη τιμή συχνότητας με υψηλή ακρίβεια, αλλά και άνοιξε μερικές ενδιαφέρουσες δυνατότητες στη φυσική, λέει ο Zhang.

Εάν η ταχύτητα του ρολογιού ενός ρολογιού αλλάζει με την πάροδο του χρόνου σε σχέση με την άλλη, θα μπορούσε να υποδεικνύει ότι παράγοντες που καθορίζουν τα επίπεδα ενέργειας - όπως η ισχυρή πυρηνική ή ηλεκτρομαγνητική δύναμη - παρασύρονται ή κυμαίνονται, λέει ο Fuchs. Ορισμένες μορφές «φωτός» της σκοτεινής ύλης, οι οποίες έχουν εξαιρετικά χαμηλή μάζα, πιστεύεται ότι έχουν αυτό το αποτέλεσμα, λέει.

Οποιαδήποτε μεταβολή των δυνάμεων θα ενισχυθεί στη συχνότητα της μετανάστευσης του πυρήνα, έτσι ώστε τα ατομικά ρολόγια θα μπορούσαν ενδεχομένως να είναι περίπου 100 εκατομμύρια φορές πιο ευαίσθητα στις επιδράσεις αυτού του τύπου σκοτεινής ύλης από τα ατομικά ρολόγια. Το τελευταίο αποτέλεσμα - το οποίο εντοπίζει τη συχνότητα σε μια ακρίβεια 13 δεκαδικών θέσεων - είναι ήδη αρκετά ακριβής για να περιορίσει τις πιθανές ενεργειακές περιοχές στις οποίες θα μπορούσε να υπάρξει ελαφριά σκοτεινή ύλη, λέει ο Fuchs. Η πυρηνική φυσική θα μπορούσε επίσης να επωφεληθεί από την ακριβέστερη συχνότητα μετάβασης, η οποία θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να διακρίνουν μεταξύ διαφορετικών πιθανών μορφών του πυρήνα θορίου-229.

Αλλά περισσότερη δουλειά πρέπει να γίνει πριν τα ατομικά ρολόγια μπορούν να ξεπεράσουν τα ατομικά ρολόγια - τα οποία είναι επί του παρόντος ακριβή σε 19 δεκαδικά ψηφία. Οι ερευνητές θα μελετήσουν εάν είναι λογικό να διατηρηθεί το θόριο -229 ενσωματωμένο σε ένα κρύσταλλο - ένα στερεό είναι βολικό για να κάνει ένα φορητό ρολόι - ή αν ο περιορισμένος μεμονωμένων ατόμων θα έπαιρνε καλύτερα αποτελέσματα.

Το σύστημα λέιζερ πρέπει επίσης να βελτιστοποιηθεί. "Ευτυχώς, αυτή η εκπληκτική τεχνική έχει μεγάλες δυνατότητες", λέει ο Olga Kocharovskaya, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Texas A & M στο College Station. Πρόκειται για ένα "πρωτότυπο της πηγής που θα χρησιμοποιηθεί στο μελλοντικό ρολόι", προσθέτει.