Fysiker har visat alla komponenter i en atomklocka - enheter som mäter tid genom att mäta små energiförändringar i en atomkärna. Sådana klockor kan leda till betydande förbättringar i precisionsmätningar samt ny insikt i grundläggande fysik.

Forskarna mätte frekvensen av ljuset som orsakar kärnorna i den sällsynta isotope thorium -229 för att övergå till ett högre energitillstånd - "klockan" på atomklockan - med en noggrannhet 100 000 gånger högre än det tidigare bästa värdet. De uppnådde detta genom att synkronisera energimigrationen med klockan i världens mest exakta klocka. Arbetet leddes av Jun Ye på Jila, ett forskningsinstitut i Boulder, Colorado och publicerades 5 september i naturen. "Det är verkligen en av de mest spännande artiklarna i det senaste minnet," säger Marianna Safronova, en kärnfysiker vid University of Delaware i Newark.

Genombrottet kom genom att undersöka thorium-229-kärnor med en laseranordning som kallas en frekvenskam. Inställningen är inte tekniskt en klocka eftersom den ännu inte har använts för att mäta tid. Men sådana imponerande resultat möjliggör utvecklingen av en atomklocka, säger Safronova.

Mätningar av klockan visar sig redan vara användbara i partikelfysik, säger Elina Fuchs, en teoretisk fysiker vid Leibniz University Hannover, Tyskland. Och eftersom klockans frekvens bestäms av de grundläggande krafterna som håller kärnan ihop, kan prototypen avgöra om en typ av mörk materia - ett osynligt ämne som utgör cirka 85% av saken i universum - påverkar dessa krafter i en liten skala. "Detta är ett nytt, direkt fönster till kärnkraft," säger Fuchs.

Ultimata timepieces

Världens bästa klockor, kallade atomklockor, mäter tid med lasrar - ljusfrekvensen är exakt inställd för att uppnå den energi som behövs för att flytta elektroner mellan två energinivåer inom en atom. De mest exakta atomklockan vinner eller förlorar bara en sekund var 40 miljarder år. En atomklocka skulle fungera något annorlunda: klockan skulle motsvara energiövergångarna av protoner och neutroner, snarare än elektroner, eftersom de kommer in i ett upphetsat tillstånd.

Denna energiförskjutning kräver en något högre, ultraviolett frekvens, vilket resulterar i snabbare tidpunkt som kan matcha eller överskrida atomklockans noggrannhet. Men den största potentiella fördelen med atomklockan ligger i sin kombination av precision och stabilitet. Partiklar i kärnan är mindre känsliga än elektroner för störningar såsom elektromagnetiska fält - vilket innebär att en atomklocka kan vara bärbar och robust. "Det blir desensibiliserat på ett sätt som är svårt att föreställa sig när det gäller hur våra klockor fungerar idag," säger Anne Curtis, en experimentell fysiker vid National Physical Laboratory i Teddington, Storbritannien.

Men att hitta rätt typ av atomkärna att använda och bestämma den frekvens som behövs för att flytta den till ett annat energitillstånd har varit en 50-årig slog för fysiker. På 1970-talet antydde indirekta bevis att Thorium-229 hade en konstigt låg energi-kärnövergång-en som så småningom kan utlösas av plasma i bordsskivan. Men det var inte förrän förra året som forskare upptäckte den frekvens som behövdes - och i år initierade de framgångsrikt övergången med en laser.

Jila-teamet sökte efter övergångsfrekvensen i biljoner Thorium-229-atomer inbäddade i kristallen med hjälp av ett system som kallas en frekvenskam. Kamen skapar en serie laserfrekvenslinjer som är regelbundet och jämnt fördelade. Detta gör det möjligt för forskare att belysa kristallen vid många exakta frekvenser på en gång för att söka efter en hit, snarare än att på ett mödoniskt sätt skanna igenom spektrumet av möjliga alternativ med en enfrekvenslaser.

Kamens inställningar - inklusive bredd på luckorna mellan linjerna, eller "tänder" - kalibrerades med hjälp av atomklockan och kunde justeras. Teamet genomförde flera experimentella körningar, och när de observerade den karakteristiska glöd som uppstår när Thorium-229-atomer förfaller från deras upphetsade tillstånd, använde de inställningarna för att beräkna frekvensen som styr signalen.

Att observera övergången för första gången "kändes fantastisk", säger studieledare Chuankun Zhang, fysiker på Jila. "Vi testade hela natten för att kontrollera om detta verkligen var den signal vi letade efter," säger han.

Grundkrafter

Det som är speciellt med frekvenskammen är att det gör det möjligt för fysiker att mäta frekvensklockan på en klocka - här Thorium -229 -kärnan - som ett förhållande till en annan känd frekvens, i detta fall en atomklocka. Detta tillät inte bara teamet att bestämma det absoluta frekvensvärdet med hög precision, utan också öppnade några intressanta möjligheter i fysiken, säger Zhang.

Om hastigheten på en klockans klocka ändras över tid relativt en annan, kan det indikera att faktorer som bestämmer energinivåer - till exempel den starka kärnkrafts- eller elektromagnetiska kraften - driver eller fluktuerar, säger Fuchs. Vissa "lätta" former av mörk materia, som har extremt låg massa, tros ha denna effekt, säger hon.

Varje förändring i krafter skulle förstärkas i frekvensen av kärnmigrering, så atomklockor kan potentiellt vara cirka 100 miljoner gånger mer känsliga för effekterna av denna typ av mörk materia än atomklockor. Det senaste resultatet - som fäster frekvensen till en noggrannhet på 13 decimaler - är redan tillräckligt exakt för att begränsa de möjliga energibedjorna där lätt mörk materia kan existera, säger Fuchs. Kärnfysik kan också dra nytta av den mer exakta övergångsfrekvensen, vilket kan hjälpa forskare att skilja mellan olika möjliga former av thorium-229-kärnan.

Men mer arbete måste göras innan atomklockor kan överträffa atomklockor - som för närvarande är korrekta till 19 decimaler. Forskare kommer att studera om det är vettigt att hålla thorium -229 inbäddade i en kristall - ett fast ämne är praktiskt för att göra en bärbar klocka - eller om begränsning av enskilda atomer skulle ge bättre resultat.

Lasersystemet måste också optimeras. "Lyckligtvis har denna fantastiska teknik stor potential", säger Olga Kocharovskaya, fysiker vid Texas A&M University vid College Station. Det är en "prototyp av källan som ska användas i den framtida klockan", tillägger hon.