Fyzici demonštrovali všetky zložky atómových hodín - zariadenia, ktoré merajú čas meraním drobných energetických posunov v atómovom jadre. Takéto hodiny by mohli viesť k významnému zlepšeniu presných meraní, ako aj k novým poznatkom v základnej fyzike.

Vedci merali frekvenciu svetla, ktoré spôsobujú jadrá zriedkavého izotopového tória -229, aby prešli do stavu s vyššou energiou - „hodiny“ atómových hodín - s presnosťou 100 000 -krát vyššou ako v predchádzajúcej najlepšej hodnote. Dosiahli to synchronizáciou migrácie energie s hodinami najpresnejších hodín na svete. Prácu viedla Jun Ye v Jila, výskumný inštitút v Boulder, Colorado, a publikoval 5. septembra v prírode. „Je to skutočne jeden z najzaujímavejších príspevkov v nedávnej pamäti,“ hovorí Marianna Safronova, jadrová fyzik na University of Delaware v Newarku.

Prielom prišiel skúmaním jadier tória-229 s laserovým zariadením nazývaným frekvenčný hrebeň. Nastavenie nie sú technicky hodinky, pretože sa ešte nepoužívalo na meranie času. Ale také pôsobivé výsledky umožňujú vývoj atómových hodín, hovorí Safronova.

Merania hodín sa už ukážu ako užitočné vo fyzike častíc, hovorí Elina Fuchs, teoretická fyzik na Leibniz University Hannover v Nemecku. A keďže frekvencia hodín je určená základnými silami, ktoré držia jadro pohromade, prototyp by mohol určiť, či typ tmavej hmoty - neviditeľná látka, ktorá tvorí asi 85% hmoty vo vesmíre - ovplyvňuje tieto sily v malom meradle. „Toto je nové, priame okno do jadrovej energie,“ hovorí Fuchs.

Konečné hodinky

Najlepšie hodiny na svete, nazývané atómové hodiny, merajú čas pomocou laserov - frekvencia svetla je presne vyladená, aby sa dosiahla energia potrebná na presun elektrónov medzi dvoma úrovňami energie v rámci atómu. Najpresnejšie zisky atómových hodín alebo stratí iba jednu sekundu každých 40 miliárd rokov. Atómové hodiny by fungovali trochu inak: hodiny by zodpovedali energetickým prechodom protónov a neutrónov, a nie elektróny, keď vstúpia do vzrušeného stavu.

Tento energetický posun vyžaduje mierne vyššiu ultrafialovú frekvenciu, čo vedie k rýchlejšiemu načasovaniu, ktoré by mohlo zodpovedať alebo presahovať presnosť atómových hodín. Najväčšou potenciálnou výhodou atómových hodín však spočíva v kombinácii presnosti a stability. Častice v jadre sú menej citlivé ako elektróny na poruchy, ako sú elektromagnetické polia - čo znamená, že atómové hodiny môžu byť prenosné a robustné. „Stáva sa znecitlivený spôsobom, ktorý je ťažké si predstaviť, pokiaľ ide o to, ako naše hodiny fungujú dnes,“ hovorí Anne Curtis, experimentálna fyzik v Národnom fyzickom laboratóriu v Teddingtone vo Veľkej Británii.

Nájdenie správneho typu atómového jadra na použitie a určenie frekvencie potrebnej na jeho presun do iného energetického stavu bolo pre fyzikov 50-ročný slogan. V 70. rokoch 20. storočia nepriame dôkazy naznačujú, že thorium-229 mal podivne nízkoenergetický jadrový prechod-ten, ktorý by sa nakoniec mohol vyvolať tabletopovou plazmou. Ale až v minulom roku vedci objavili potrebnú frekvenciu - a tento rok úspešne začali prechod laserom.

Tím JILA hľadal prechodnú frekvenciu v biliónoch atómov tória 229 zabudovaných do kryštálu pomocou systému známeho ako frekvenčný hrebeň. Hrebeň vytvára sériu laserových frekvenčných čiar, ktoré sú pravidelne a rovnomerne rozmiestnené. To umožňuje vedcom osvetľovať kryštál na mnohých presných frekvenciách naraz hľadať zásah, namiesto namáhavého skenovania spektra možných možností pomocou jednofrekvenčného lasera.

Nastavenia hrebeňa - vrátane šírky medzier medzi čiarami alebo „zubami“ - boli kalibrované pomocou atómových hodín a mohli sa upraviť. Tím vykonal niekoľko experimentálnych behov a keď pozorovali charakteristickú žiaru, ktorá sa vyskytuje, keď sa atómy thorium-229 rozpadajú z ich excitovaného stavu, použili nastavenia na výpočet frekvencie, ktorá riadi signál.

Pozorovanie prechodu po prvýkrát „Felt som sa cítil úžasne“, hovorí spoluautor štúdie Chuankun Zhang, fyzik Jily. "Testy sme robili celú noc, aby sme skontrolovali, či to bol skutočne signál, ktorý sme hľadali," hovorí.

Základné sily

Čo je zvláštne na frekvenčnom hrebeňoch, je to, že umožňuje fyzikom zmerať frekvenčné hodiny hodín - tu jadro tória -229 - ako pomer k inej známej frekvencii, v tomto prípade atómové hodiny. To nielenže umožnilo tímu určiť absolútnu frekvenčnú hodnotu s vysokou presnosťou, ale tiež otvorilo niektoré zaujímavé možnosti vo fyzike, hovorí Zhang.

Ak sa rýchlosť hodín jedného hodiny v priebehu času zmení v porovnaní s iným, mohlo by to naznačovať, že faktory, ktoré určujú hladiny energie - napríklad silnú jadrovú alebo elektromagnetickú silu - unášajú alebo kolísajú, hovorí Fuchs. Predpokladá sa, že určité „svetlo“ formy temnej hmoty, ktoré majú extrémne nízku hmotnosť, majú tento účinok, hovorí.

Akákoľvek zmena sily by bola zosilnená pri frekvencii migrácie jadra dovnútra, takže atómové hodiny by mohli byť potenciálne asi 100 miliónov -krát citlivejšie na účinky tohto typu temnej hmoty ako atómové hodiny. Najnovší výsledok - ktorý určuje frekvenciu na presnosť 13 desatinných miest - je už dosť presný na to, aby zúžil možné energetické rozsahy, v ktorých by mohla existovať svetlá tmavá hmota, hovorí Fuchs. Jadrová fyzika by mohla mať úžitok aj z presnejšej frekvencie prechodu, ktorá by mohla pomôcť vedcom rozlišovať medzi rôznymi možnými formami jadra tória-229.

Predtým, ako atómové hodiny môžu prekonať atómové hodiny - ktoré sú v súčasnosti presné na 19 desatinných miest, je však potrebné vykonať viac práce. Vedci budú študovať, či má zmysel udržiavať tórium 229 vložené do kryštálu - tuhá látka je užitočná na výrobu nositeľných hodiniek - alebo či by obmedzujúce jednotlivé atómy priniesli lepšie výsledky.

Laserový systém musí byť tiež optimalizovaný. „Našťastie má táto úžasná technika veľký potenciál,“ hovorí Olga Kocharovskaya, fyzik na Texas A&M University na College Station. Je to „prototyp zdroja, ktorý sa má použiť v budúcich hodinkách,“ dodáva.