Fizicienii au demonstrat toate componentele unui ceas atomic - dispozitive care măsoară timpul prin măsurarea schimbărilor minuscule de energie în cadrul unui nucleu atomic. Astfel de ceasuri ar putea duce la îmbunătățiri semnificative ale măsurătorilor de precizie, precum și la noi perspective în fizica fundamentală.

Cercetătorii au măsurat frecvența luminii care determină nucleele rare izotopului toriu -229 să treacă la o stare energetică mai mare - „ceasul” ceasului atomic - cu o precizie de 100.000 de ori mai mare decât cea mai bună valoare anterioară. Au obținut acest lucru prin sincronizarea migrației energetice cu ceasul cel mai precis ceas din lume. Lucrarea a fost condusă de Jun Ye la Jila, un institut de cercetare din Boulder, Colorado și publicat pe 5 septembrie în Nature. „Este într -adevăr una dintre cele mai interesante lucrări din memoria recentă”, spune Marianna Safronova, fizician nuclear la Universitatea Delaware din Newark.

Descoperirea a venit prin examinarea nucleelor ​​torium-229 cu un dispozitiv laser numit pieptene de frecvență. Configurarea nu este din punct de vedere tehnic un ceas, deoarece nu a fost încă folosit pentru a măsura timpul. Dar rezultatele atât de impresionante fac posibilă dezvoltarea unui ceas atomic, spune Safronova.

Măsurătorile ceasului se dovedesc deja utile în fizica particulelor, spune Elina Fuchs, fizician teoretic la Universitatea Leibniz Hannover, Germania. Și întrucât frecvența ceasului este determinată de forțele fundamentale care țin nucleul împreună, prototipul ar putea determina dacă un tip de materie întunecată - o substanță invizibilă care reprezintă aproximativ 85% din materie din univers - influențează aceste forțe la o scară minusculă. „Aceasta este o fereastră nouă, directă, în energia nucleară”, spune Fuchs.

Ceasuri finale

Cele mai bune ceasuri din lume, numite ceasuri atomice, măsoară timpul folosind lasere - frecvența luminii este reglată precis pentru a obține energia necesară pentru a muta electronii între două niveluri de energie într -un atom. Cea mai precisă ceas atomic câștigă sau pierde doar o secundă la fiecare 40 de miliarde de ani. Un ceas atomic ar funcționa ușor diferit: ceasul ar corespunde tranzițiilor energetice ale protonicilor și neutronilor, mai degrabă decât la electroni, pe măsură ce intră într -o stare excitată.

Această schimbare de energie necesită o frecvență ultravioletă ușor mai mare, ceea ce duce la o sincronizare mai rapidă care ar putea să se potrivească sau să depășească exactitatea ceasului atomic. Dar cel mai mare avantaj potențial al ceasului atomic constă în combinația sa de precizie și stabilitate. Particulele din nucleu sunt mai puțin sensibile decât electronii la tulburări precum câmpurile electromagnetice - ceea ce înseamnă că un ceas atomic ar putea fi portabil și robust. „Devine desensibilizat într -un mod greu de imaginat în ceea ce privește modul în care funcționează ceasurile noastre astăzi”, spune Anne Curtis, fizician experimental la Laboratorul National Fizic din Teddington, Regatul Unit.

Dar găsirea tipului potrivit de nucleu atomic de utilizat și determinarea frecvenței necesare pentru a-l trece într-o stare energetică diferită a fost un slogan de 50 de ani pentru fizicieni. În anii ’70, dovezi indirecte au sugerat că Thoriu-229 a avut o tranziție nucleară cu energie scăzută ciudat-una care ar putea fi declanșată în cele din urmă de plasma de masă. Dar abia în anul trecut, oamenii de știință au descoperit frecvența necesară - și anul acesta au inițiat cu succes tranziția cu un laser.

Echipa JILA a căutat frecvența de tranziție în trilioane de atomi de toriu-229 încorporate în cristal folosind un sistem cunoscut sub numele de pieptene de frecvență. Pieptenele creează o serie de linii de frecvență laser care sunt distanțate în mod regulat și uniform. Acest lucru permite cercetătorilor să lumineze cristalul la multe frecvențe precise simultan să caute un hit, mai degrabă decât să scaneze laborios prin spectrul de opțiuni posibile cu un laser cu o singură frecvență.

Setările pieptenelor - inclusiv lățimea golurilor dintre linii sau „dinții” - au fost calibrate folosind ceasul atomic și ar putea fi reglate. Echipa a efectuat mai multe runde experimentale și, după cum au observat strălucirea caracteristică care apare atunci când atomii de toriu-229 se descompun din starea lor excitată, au folosit setările pentru a calcula frecvența care controlează semnalul.

Observând tranziția pentru prima dată „s-a simțit uimitor”, spune coautorul studiului Chuankun Zhang, fizician la Jila. „Am făcut teste toată noaptea pentru a verifica dacă acesta a fost într -adevăr semnalul pe care îl căutam”, spune el.

Forțe de bază

Ceea ce este special în ceea ce privește pieptenul de frecvență este faptul că permite fizicienilor să măsoare ceasul de frecvență al unui ceas - aici nucleul toriu -229 - ca raport cu o altă frecvență cunoscută, în acest caz un ceas atomic. Acest lucru nu numai că a permis echipei să determine valoarea frecvenței absolute cu o precizie ridicată, dar a deschis și câteva posibilități interesante în fizică, spune Zhang.

Dacă viteza ceasului unui ceas se schimbă în timp în raport cu altul, ar putea indica faptul că factorii care determină nivelurile de energie - cum ar fi forța nucleară sau electromagnetică puternică - sunt în derivă sau fluctuează, spune Fuchs. Ea spune că anumite forme „ușoare” de materie întunecată, care au o masă extrem de scăzută.

Orice modificare a forțelor ar fi amplificată în frecvența migrației interioare a miezului, astfel încât ceasurile atomice ar putea fi de aproximativ 100 de milioane de ori mai sensibile la efectele acestui tip de materie întunecată decât ceasurile atomice. Cel mai recent rezultat - care identifică frecvența la o precizie de 13 zecimale - este deja suficient de precis pentru a restrânge posibilele intervale energetice în care ar putea exista materia întunecată ușoară, spune Fuchs. Fizica nucleară ar putea beneficia, de asemenea, de frecvența de tranziție mai precisă, ceea ce ar putea ajuta oamenii de știință să facă distincția între diferite forme posibile ale nucleului toriu-229.

Dar trebuie să se facă mai multă muncă înainte ca ceasurile atomice să poată depăși ceasurile atomice - care sunt în prezent exacte până la 19 zecimale. Cercetătorii vor studia dacă este logic să se mențină toriu -229 încorporat într -un cristal - un solid este la îndemână pentru a face un ceas purtabil - sau dacă limitarea atomilor individuali ar produce rezultate mai bune.

De asemenea, sistemul laser trebuie să fie optimizat. „Din fericire, această tehnică uimitoare are un potențial mare”, spune Olga Kocharovskaya, fizician la Texas A&M University din College Station. Este un „prototip al sursei care va fi utilizat în viitorul ceas”, adaugă ea.