Fysikere har vist alle komponentene i en atomklokke -enheter som måler tid ved å måle bittesmå energiføyt i en atomkjerne. Slike klokker kan føre til betydelige forbedringer i presisjonsmålinger samt ny innsikt i grunnleggende fysikk.

Forskerne målte hyppigheten av lyset som fører til at kjernene til den sjeldne isotopen thorium -229 til overgang til en høyere energitilstand - "klokken" av atomklokken - med en nøyaktighet 100 000 ganger høyere enn den forrige beste verdien. De oppnådde dette ved å synkronisere energimigrasjonen med klokken til verdens mest presise klokke. Arbeidet ble ledet av Jun Ye på Jila, et forskningsinstitutt i Boulder, Colorado, og utgitt 5. september i Nature. "Det er virkelig en av de mest spennende avisene i nyere minne," sier Marianna Safronova, en kjernefysiker ved University of Delaware i Newark.

Gjennombruddet kom ved å undersøke thorium-229-kjerner med en laserapparat kalt en frekvenskam. Oppsettet er ikke teknisk sett en klokke, da det ennå ikke har blitt brukt til å måle tid. Men slike imponerende resultater gjør utviklingen av en atomklokke mulig, sier Safronova.

Målinger av klokken viser seg allerede nyttige i partikkelfysikk, sier Elina Fuchs, en teoretisk fysiker ved Leibniz University Hannover, Tyskland. Og siden klokkens frekvens bestemmes av de grunnleggende kreftene som holder kjernen sammen, kan prototypen avgjøre om en type mørk materie - et usynlig stoff som utgjør omtrent 85% av saken i universet - påvirker disse kreftene i en liten skala. "Dette er et nytt, direkte vindu til kjernekraft," sier Fuchs.

Ultimate timepieces

Verdens beste klokker, kalt atomklokker, måler tid ved bruk av lasere - lysfrekvensen er nøyaktig innstilt for å oppnå den energien som trengs for å bevege elektroner mellom to energinivåer i et atom. Den mest nøyaktige atomklokken vinner eller taper bare ett sekund hvert 40 milliarder år. En atomklokke ville fungere litt annerledes: Klokken tilsvarer energiovergangene til protoner og nøytroner, i stedet for elektroner, da de kommer inn i en begeistret tilstand.

Dette energiforskyvningen krever en litt høyere, ultrafiolett frekvens, noe som resulterer i raskere timing som kan matche eller overstige nøyaktigheten til atomklokken. Men den største potensielle fordelen med atomklokken ligger i sin kombinasjon av presisjon og stabilitet. Partikler i kjernen er mindre følsomme enn elektroner for forstyrrelser som elektromagnetiske felt - noe som betyr at en atomklokke kan være bærbar og robust. "Det blir desensibilisert på en måte som er vanskelig å forestille seg når det gjelder hvordan klokkene våre fungerer i dag," sier Anne Curtis, en eksperimentell fysiker ved National Physical Laboratory i Teddington, Storbritannia.

Men å finne den rette typen atomkjerner for å bruke og bestemme frekvensen som trengs for å flytte den til en annen energitilstand, har vært en 50-årig slog for fysikere. På 1970-tallet antydet indirekte bevis på at Thorium-229 hadde en underlig lavenergi-kjernefysisk overgang-en som til slutt kan utløses av bordplater. Men det var først i fjor at forskere oppdaget frekvensen som trengs - og i år innledet de overgangen med en laser.

Jila-teamet søkte etter overgangsfrekvensen i billioner av thorium-229-atomer innebygd i krystallen ved hjelp av et system kjent som en frekvenskam. Kammen skaper en serie laserfrekvenslinjer som er jevnlig og jevnt fordelt. Dette gjør at forskere kan belyse krystallen ved mange presise frekvenser på en gang for å søke etter en hit, snarere enn møysommelig skanning gjennom spekteret av mulige alternativer med en enfrekvent laser.

Kombens innstillinger - inkludert bredden på hullene mellom linjene, eller "tenner" - ble kalibrert ved hjelp av atomklokken og kunne justeres. Teamet gjennomførte flere eksperimentelle løp, og da de observerte den karakteristiske gløden som oppstår når thorium-229-atomer forfaller fra deres eksiterte tilstand, brukte de innstillingene for å beregne frekvensen som kontrollerer signalet.

Å observere overgangen for første gang "føltes fantastisk", sier studiemedforfatter Chuankun Zhang, fysiker ved Jila. "Vi gjorde tester hele natten for å sjekke om dette faktisk var signalet vi lette etter," sier han.

Grunnleggende krefter

Det som er spesielt med frekvenskammen er at den lar fysikere måle frekvensklokken til en klokke - her thorium -229 -kjernen - som et forhold til en annen kjent frekvens, i dette tilfellet en atomklokke. Dette tillot ikke bare teamet å bestemme den absolutte frekvensverdien med høy presisjon, men åpnet også for noen interessante muligheter i fysikken, sier Zhang.

Hvis hastigheten på klokken til en klokke endres over tid i forhold til en annen, kan det indikere at faktorer som bestemmer energinivået - for eksempel den sterke kjernefysiske eller elektromagnetiske kraften - driver eller svinger, sier fuchs. Visse 'lette' former for mørk materie, som har ekstremt lav masse, antas å ha denne effekten, sier hun.

Enhver endring i krefter vil bli forsterket i hyppigheten av kjernen innover migrasjon, slik at atomklokker potensielt kan være omtrent 100 millioner ganger mer følsomme for effekten av denne typen mørk materie enn atomklokker. Det siste resultatet - som peker på frekvensen til en nøyaktighet på 13 desimaler - er allerede presis nok til å begrense de mulige energireservlene der lys mørk materie kan eksistere, sier fuchs. Atomfysikk kan også dra nytte av den mer presise overgangsfrekvensen, noe som kan hjelpe forskere å skille mellom forskjellige mulige former for thorium-229-kjernen.

Men mer arbeid må gjøres før atomklokker kan overgå atomklokker - som for tiden er nøyaktige til 19 desimaler. Forskere vil studere om det er fornuftig å holde thorium -229 innebygd i en krystall - et fast stoff er nyttig for å lage en bærbar klokke - eller om begrensende individuelle atomer vil gi bedre resultater.

Lasersystemet må også optimaliseres. "Heldigvis har denne fantastiske teknikken et stort potensial," sier Olga Kocharovskaya, fysiker ved Texas A&M University i College Station. Det er en "prototype av kilden som skal brukes i fremtidens klokke," legger hun til.