Fizičari su pokazali sve komponente atomskog sata - uređaja koji mjere vrijeme mjerenjem sitnih pomaka energije unutar atomskog jezgara. Takvi bi satovi mogli dovesti do značajnih poboljšanja u preciznim mjerenjima, kao i novih uvida u temeljnu fiziku.

Istraživači su mjerili učestalost svjetlosti koja uzrokuje jezgre rijetkog izotopa Thorium -229 da prijeđu u veće energetsko stanje - "sat" atomskog sata - s točnošću 100 000 puta veće od prethodne najbolje vrijednosti. To su postigli sinkroniziranjem energetske migracije sa satom najpreciznijeg sata na svijetu. Rad je vodio Jun Ye u Jila, istraživački institut u Boulderu, Colorado, i objavljen 5. rujna u prirodi. "To je zaista jedan od najuzbudljivijih radova u nedavnom sjećanju", kaže Marianna Safronova, nuklearna fizičarka sa Sveučilišta u Delawareu u Newarku.

Proboj je uslijedio ispitivanjem jezgara Thorium-229 s laserskim uređajem koji se naziva češalj frekvencije. Postavljanje tehnički nije sat jer se još nije koristio za mjerenje vremena. Ali takvi impresivni rezultati omogućuju razvoj atomskog sata, kaže Safronova.

Mjerenja sata već se pokazuju korisna u fizici čestica, kaže Elina Fuchs, teorijska fizičarka sa Sveučilišta Leibniz Hannover, Njemačka. A budući da je učestalost sata određena temeljnim silama koje drže jezgru zajedno, prototip bi mogao utvrditi utječe li vrsta tamne tvari - nevidljiva tvar koja čini oko 85% materije u svemiru - utječe na ove sile na sićušnoj skali. "Ovo je novi, izravni prozor u nuklearnu energiju", kaže Fuchs.

Krajnji satovi

Najbolji svjetski satovi, zvani atomski satovi, mjere vrijeme pomoću lasera - frekvencija svjetlosti je upravo podešena kako bi se postigla energija potrebna za pomicanje elektrona između dvije razine energije unutar atoma. Najtačniji atomski sat dobiva ili gubi samo jednu sekundu svakih 40 milijardi godina. Atomski sat djelovao bi nešto drugačije: sat bi odgovarao energetskim prijelazima protona i neutrona, a ne elektrona, jer ulaze u uzbuđeno stanje.

Ovaj energetski pomak zahtijeva nešto veću, ultraljubičastu frekvenciju, što rezultira bržim vremenom koje bi moglo uskladiti ili premašiti točnost atomskog sata. Ali najveća potencijalna prednost atomskog sata leži u kombinaciji preciznosti i stabilnosti. Čestice u jezgri manje su osjetljive od elektrona na poremećaje poput elektromagnetskih polja - što znači da bi atomski sat mogao biti prenosiv i robustan. "To postaje desenzibilizirano na način koji je teško zamisliti u smislu kako naši satovi danas rade", kaže Anne Curtis, eksperimentalna fizičarka u Nacionalnom fizičkom laboratoriju u Teddingtonu, Ujedinjeno Kraljevstvo.

Ali pronalaženje prave vrste atomskog jezgre za korištenje i određivanje frekvencije potrebne za prebacivanje u drugo energetsko stanje bilo je 50-godišnje slog za fizičare. U 1970-ima, neizravni dokazi sugerirali su da je Thorium-229 imao neobično niskoenergetsku nuklearnu tranziciju-onaj koji bi na kraju mogao pokrenuti plazmom od stola. Ali tek su prošle godine znanstvenici otkrili potrebnu učestalost - i ove su godine uspješno pokrenuli prijelaz laserom.

Tim Jila tražio je frekvenciju prijelaza u trilijunima atoma torija-229 ugrađenih u kristal koristeći sustav poznat kao češalj frekvencije. Češalj stvara niz laserskih frekvencijskih linija koje su redovito i ravnomjerno raspoređene. To omogućava istraživačima da osvjetljavaju kristal na mnogim preciznim frekvencijama odjednom da traže pogodak, a ne naporno skenirajući kroz spektar mogućih opcija s jednofrekventnim laserom.

Postavke češlja - uključujući širinu praznina između linija ili "zuba" - kalibrirane su pomoću atomskog sata i mogu se prilagoditi. Tim je proveo nekoliko eksperimentalnih trčanja, a kako su primijetili karakteristični sjaj koji nastaje kada atomi Thorium-229 propadaju iz svog uzbuđenog stanja, koristili su postavke za izračunavanje frekvencije koja kontrolira signal.

Promatrajući prijelaz prvi put "osjećao se nevjerojatno", kaže koautor studije Chuankun Zhang, fizičar u Jili. "Cijelu noć smo radili testove kako bismo provjerili je li to doista signal koji smo tražili", kaže on.

Osnovne snage

Ono što je posebno u frekvencijskom češlju jest to što fizičarima omogućuje mjerenje frekvencijskog sata sata - ovdje jezgra Thorium -229 - kao omjer prema drugoj poznatoj frekvenciji, u ovom slučaju atomski sat. To nije samo omogućilo timu da s velikom preciznošću odredi apsolutnu vrijednost frekvencije, već je otvorilo i neke zanimljive mogućnosti u fizici, kaže Zhang.

Ako se brzina sata jednog sata mijenja s vremenom u odnosu na drugi, to bi moglo ukazivati ​​na to da čimbenici koji određuju razinu energije - poput snažne nuklearne ili elektromagnetske sile - lebde ili fluktuiraju, kaže Fuchs. Smatra se da određeni 'svjetlosni' oblici tamne materije, koji imaju izuzetno nisku masu, imaju takav učinak, kaže ona.

Svaka promjena sila pojačala bi se u učestalosti jezgre unutarnje migracije, tako da bi atomski satovi mogli biti oko 100 milijuna puta osjetljiviji na učinke ove vrste tamne materije nego atomske satove. Najnoviji rezultat - koji označava frekvenciju do točnosti od 13 decimalnih mjesta - već je dovoljno precizan da suzi moguće energetske raspone u kojima bi mogla postojati lagana tamna tvar, kaže Fuchs. Nuklearna fizika također bi mogla imati koristi od preciznije frekvencije tranzicije, što bi moglo pomoći znanstvenicima da razlikuju različite moguće oblike jezgre torijum-229.

Ali više posla treba obaviti prije nego što atomski satovi mogu nadmašiti atomske satove - koji su trenutno točni na 19 decimalnih mjesta. Istraživači će proučiti ima li smisla zadržati torij -229 ugrađen u kristal - čvrsta je prikladna za izradu nošenja - ili će ograničiti pojedine atome bolje rezultate.

Laserski sustav također mora biti optimiziran. "Srećom, ova nevjerojatna tehnika ima veliki potencijal", kaže Olga Kocharovskaya, fizičarka sa Sveučilišta Texas A&M u College Stationu. To je "prototip izvora koji će se koristiti u budućem satu", dodaje ona.