Füüsikud on demonstreerinud kõiki aatomkella komponente - seadmeid, mis mõõdavad aega, mõõtes pisikesi energia nihkeid aatomituumas. Sellised kellad võivad põhjustada nii täpsuse mõõtmise olulisi paranemisi kui ka uusi teadmisi fundamentaalfüüsikas.

Teadlased mõõtsid valguse sagedust, mis põhjustab haruldase isotoobi toorium -229 tuumasid üleminekule kõrgemale energiaseisundile - aatomkella "kellale" - täpsusega 100 000 korda kõrgem kui eelmine parim väärtus. Nad saavutasid selle, sünkroonides energia migratsiooni maailma kõige täpsema kella kellaga. Teos juhtis Jun Ye Colorados Boulderis asuvas uurimisinstituudis Jilas ja avaldati 5. septembril looduses. "See on tõesti üks põnevamaid artikleid hiljutises mälestuses," ütleb Newarki Delaware'i ülikooli tuumafüüsik Marianna Safronova.

Läbimurre saabus, uurides toorium-229 tuumasid laserseadmega, mida nimetatakse sageduskammiga. Seadistamine ei ole tehniliselt käekell, kuna seda pole aja mõõtmiseks veel kasutatud. Kuid sellised muljetavaldavad tulemused võimaldavad aatomkella arengut, ütles Safronova.

Kella mõõtmed on juba osakeste füüsikas kasulikud, ütles Elina Fuchs, Leibnizi ülikooli Hannoveri teoreetiline füüsik, Saksamaa. Ja kuna kella sageduse määravad tuuma koos hoidvad põhijõud, võiks prototüüp kindlaks teha, kas tumeda aine tüüp - nähtamatu aine, mis moodustab umbes 85% universumi ainest - mõjutab neid jõude pisikesel skaalal. "See on uus otsene aken tuumaenergiasse," ütleb Fuchs.

Ülimad ajanäitajad

Maailma parimad kellad, mida nimetatakse aatomkelladeks, mõõdavad aega laserite abil - valguse sagedus on täpselt häälestatud, et saavutada energiat, mis on vajalik elektronide liigutamiseks aatomi kahe energiataseme vahel. Kõige täpsem aatomkell saavutab või kaotab vaid sekundi iga 40 miljardi aasta järel. Aatomkell töötaks pisut erinevalt: kell vastaks erutatud olekusse sisenedes prootonite ja neutronite, mitte elektronide energia üleminekutele.

See energia nihe nõuab pisut suuremat ultraviolettkiirgust, mille tulemuseks on kiirem ajastus, mis võib vastata aatomkella täpsusele või ületada. Kuid aatomkella suurim potentsiaalne eelis seisneb täpsuse ja stabiilsuse kombinatsioonis. Tuumas olevad osakesed on vähem tundlikud kui elektronid häirete suhtes nagu elektromagnetilised väljad - see tähendab aatomkell võib olla kaasaskantav ja vastupidav. "See muutub desensibiliseerituks viisil, mida on meie kellade tänapäeval raske ette kujutada," ütleb Anne Curtis, Ühendkuningriigi Teddingtoni riikliku füüsilise labori eksperimentaalne füüsik.

Kuid õiget tüüpi aatomituuma leidmine, mida kasutada, ja määratleda sagedus, mis on vajalik selle nihutamiseks erinevasse energiaseisundisse, on olnud füüsikute jaoks 50-aastane nõme. 1970. aastatel näitasid kaudsed tõendid, et toorium-229-l oli kummaliselt madala energiaga tuumavaheline üleminek-see, mille lõpuks võib käivitada lauaplaadi plasma. Kuid alles eelmisel aastal avastasid teadlased vajaliku sageduse - ja sel aastal algatasid nad ülemineku laseriga edukalt.

Jila meeskond otsis kristalli manustatud triljonites toorium-229 aatomites üleminekusagedust, kasutades süsteemi, mida nimetatakse sageduskammiks. Kamm loob rea lasersagedusliinide seeria, mis on regulaarselt ja ühtlaselt paigutatud. See võimaldab teadlastel valgustada kristalli paljudel täpsetel sagedustel korraga, et otsida hitt, selle asemel, et ühiselt skannida ühe sagedusega laseriga võimalike võimaluste spektrit.

Kammi sätted - sealhulgas liinide või "hammaste" vaheliste lünkade laius - kalibreeriti aatomkella abil ja neid saab reguleerida. Meeskond viis läbi mitu eksperimentaalset jooksu ja kui nad täheldasid iseloomulikku kuma, mis tekib siis, kui toorium-229 aatomid lagunevad ergastatud olekust, kasutasid nad seadeid signaali kontrolliva sageduse arvutamiseks.

Esimest korda ülemineku jälgimine tundis end hämmastavalt, ütles Jila füüsiku uuringu kaasautor Chuankun Zhang. "Tegime kogu öö testid, et kontrollida, kas see oli tõepoolest signaal, mida otsisime," ütleb ta.

Põhijõud

Sagedusliku kammi puhul on eriline see, et see võimaldab füüsikutel mõõta kella sageduskella - siin toorium -229 südamikku - suhet teise teadaoleva sagedusega, antud juhul aatomkell. See mitte ainult ei võimaldanud meeskonnal kindlaks teha absoluutse sageduse väärtus suure täpsusega, vaid avas ka füüsikas huvitavaid võimalusi, ütles Zhang.

Kui ühe kella kiirus muutub aja jooksul teise suhtes, võib see näidata, et energiataseme määravad tegurid - näiteks tugev tuuma- või elektromagnetiline jõud - triivib või kõikuvad, väidab Fuchs. Arvatakse, et selle efektiga arvatakse, et mõned äärmiselt madala massiga tumeda aine vormid, millel on äärmiselt mass.

Kõik jõudude muutused võimendatakse sisemise sisemise migratsiooni sageduses, nii et aatomkellad võivad seda tüüpi tumeda aine mõju suhtes olla umbes 100 miljonit korda tundlikumad kui aatomkellad. Viimane tulemus - mis täpsustab sagedust 13 kümnendkoha täpsusega - on juba piisavalt täpne, et kitsendada võimalikke energiavahemikke, milles kerge tume aine võib eksisteerida, väidab Fuchs. Tuumafüüsika võiks kasu ka täpsemalt üleminekusagedusest, mis võib aidata teadlastel eristada toorium-229 tuuma erinevaid võimalikke vorme.

Kuid enne, kui aatomkellad võivad ületada aatomkellasid - tuleb teha rohkem tööd - mis on praegu täpsed 19 kümnendkoha kohta. Teadlased uurivad, kas on mõistlik hoida kristalli manustatud toorium -229 - tahke aine on kantava käekella tegemiseks mugav - või kas üksikute aatomitega piiramine annaks paremaid tulemusi.

Samuti tuleb optimeerida lasersüsteemi. "Õnneks on sellel hämmastaval tehnikal suur potentsiaal," ütleb Olga Kocharovskaya, Texas A&M ülikooli füüsik College Stationis. See on „tulevases valves kasutatava allika prototüüp”, lisab ta.