Fiziki so pokazali vse komponente atomske ure - naprav, ki merijo čas z merjenjem drobnih premikov energije znotraj atomskega jedra. Takšne ure bi lahko privedle do pomembnih izboljšav natančnosti in novih vpogledov v temeljno fiziko.

Raziskovalci so izmerili frekvenco svetlobe, ki povzroči jedra redkega izotopa Thoriuma -229 do prehoda na večje energetsko stanje - "uro" atomske ure - z natančnostjo 100.000 -krat večjo od prejšnje najboljše vrednosti. To so dosegli s sinhronizacijo migracije energije z uro najbolj natančne ure na svetu. Delo je vodil Jun Ye na Jili, raziskovalni inštitut v Boulderju v Koloradu, in objavljen 5. septembra v Nature. "To je res eden najbolj vznemirljivih prispevkov v nedavnem spominu," pravi Marianna Safronova, jedrska fizika na Univerzi v Delawareu v Newarku.

Preboj je prišel s pregledom jeder Thorium-229 z lasersko napravo, imenovano frekvenčni glavnik. Nastavitev tehnično ni ura, saj še ni bila uporabljena za merjenje časa. Toda tako impresivni rezultati omogočajo razvoj atomske ure, pravi Safronova.

Meritve ure se že izkažejo za koristne pri fiziki delcev, pravi Elina Fuchs, teoretična fizika na univerzi Leibniz Hannover, Nemčija. In ker frekvenco ure določajo temeljne sile, ki držijo jedro skupaj, bi prototip lahko ugotovil, ali vrsta temne snovi - nevidna snov, ki v vesolju predstavlja približno 85% zadeve - vpliva na te sile v majhnem obsegu. "To je novo, neposredno okno v jedrsko energijo," pravi Fuchs.

Končni časovniki

Najboljše ure na svetu, imenovane atomske ure, merijo čas z laserji - frekvenca svetlobe je natančno nastavljena, da dosežemo energijo, potrebno za premikanje elektronov med dvema nivojem energije znotraj atoma. Najbolj natančna atomska ura dobiva ali izgubi le eno sekundo vsakih 40 milijard let. Atomska ura bi delovala nekoliko drugače: ura bi ustrezala energetskim prehodom protonov in nevtronov, ne pa elektronov, ko vstopajo v vznemirjeno stanje.

Ta energetski premik zahteva nekoliko večjo ultravijolično frekvenco, kar ima za posledico hitrejši čas, ki bi lahko ustrezal ali presegel natančnost atomske ure. Toda največja potencialna prednost atomske ure je v njeni kombinaciji natančnosti in stabilnosti. Delci v jedru so manj občutljivi kot elektroni na motnje, kot so elektromagnetna polja - kar pomeni, da je atomska ura lahko prenosna in robustna. "To postane desenzibilizirano na način, ki si ga težko predstavljamo v smislu, kako delujejo naše ure danes," pravi Anne Curtis, eksperimentalna fizika v Nacionalnem fizičnem laboratoriju v Teddingtonu v Združenem kraljestvu.

Toda iskanje pravega tipa atomskega jedra za uporabo in določitev frekvence, potrebne za preusmeritev v drugačno energetsko stanje, je bil 50-letni slog za fizike. V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so posredni dokazi pokazali, da je imel Thorium-229 nenavadno nizkoenergijski jedrski prehod-tisti, ki bi ga sčasoma lahko sprožila plazma na mizi. Toda šele lani so znanstveniki odkrili potrebno pogostost - in letos so uspešno začeli prehod z laserjem.

Ekipa JILA je iskala prehodno frekvenco v trilijonih atomov torija-229, vgrajenih v kristal, s sistemom, znanim kot frekvenčni glavnik. Glavnik ustvarja vrsto laserskih frekvenčnih linij, ki so redno in enakomerno razporejene. To raziskovalcem omogoča, da kristal osvetlijo na številnih natančnih frekvencah naenkrat, da poiščejo zadetek, namesto da bi pridno skenirali skozi spekter možnih možnosti z enofrekvenčnim laserjem.

Nastavitve glavnika - vključno s širino vrzeli med črtami ali "zobmi" - so bile umerjene z atomsko uro in jih je bilo mogoče prilagoditi. Ekipa je izvedla več eksperimentalnih voženj in ko so opazili značilen sijaj, ki se pojavi, ko atomi torija-229 razpadajo iz svojega vzbujenega stanja, so uporabili nastavitve za izračun frekvence, ki nadzoruje signal.

Ob prvem opazovanju prehoda se je "počutil neverjetno", pravi soavtor študije Chuankun Zhang, fizik v Jili. "Vso noč smo preizkusili, da smo preverili, ali je to res signal, ki ga iščemo," pravi.

Osnovne sile

Pri frekvenčnem glavniku je posebno, da fizikom omogoča merjenje frekvenčne ure ure - tukaj jedro torija -229 - kot razmerje med drugo znano frekvenco, v tem primeru atomska ura. To ni samo omogočilo ekipi, da z visoko natančnostjo določi absolutno frekvenčno vrednost, ampak je tudi odprla nekaj zanimivih možnosti v fiziki, pravi Zhang.

Če se hitrost ure ene ure sčasoma spreminja v primerjavi z drugo, bi lahko nakazovala, da dejavniki, ki določajo raven energije - na primer močna jedrska ali elektromagnetna sila - plujejo ali nihajo, pravi Fuchs. Menijo, da imajo nekatere "svetlobne" oblike temne snovi, ki imajo izjemno nizko maso, ta učinek, pravi.

Vsaka sprememba sil bi se povečala v frekvenci selitve jedra navznoter, zato bi lahko atomske ure lahko približno 100 milijonovkrat bolj občutljive na učinke te vrste temne snovi kot atomske ure. Najnovejši rezultat - ki natančno določa frekvenco do natančnosti 13 decimalnih mest - je že dovolj natančen, da zoži možne energijske razpone, v katerih bi lahko obstajala svetlo temna snov, pravi Fuchs. Jedrska fizika bi lahko imela koristi tudi od natančnejše prehodne frekvence, kar bi lahko znanstvenikom pomagalo razlikovati med različnimi možnimi oblikami jedra torija-229.

Toda več dela je treba opraviti, preden lahko atomske ure presežejo atomske ure - ki so trenutno natančne do 19 decimalnih mest. Raziskovalci bodo preučili, ali je smiselno, da Thorium -229 vgrajen v kristal - trdna snov je priročna za izdelavo nosljive ure - ali bi omejitve posameznih atomov prinesle boljše rezultate.

Tudi laserski sistem je treba optimizirati. "Na srečo ima ta neverjetna tehnika velik potencial," pravi Olga Kocharovskaya, fizik na teksaški univerzi A&M na College Station. To je "prototip vira, ki ga je treba uporabiti v prihodnji uri", doda.