Zegary atomowe są używane od dziesięcioleci – ale teraz możliwa stała się jeszcze większa precyzja: prezentacja pierwszego na świecie zegara nuklearnego.
Naukowcy dokonali znaczącego przełomu, tworząc pierwszy na świecie zegar nuklearny wykorzystujący jądra atomowe toru, zwiększający precyzję pomiaru czasu. Ta innowacyjna technologia, choć w fazie prototypu, ma szansę przewyższyć tradycyjne zegary atomowe dokładnośćpotencjalnie rewolucjonizując mierzenie czasu i pomiary naukowe w różnych dyscyplinach.
Przełom w mierzeniu czasu: pierwszy na świecie zegar nuklearny
Przez wiele lat naukowcy na całym świecie pracowali nad tym celem, teraz nagle wszystko dzieje się bardzo szybko: dopiero w kwietniu zespół kierowany przez prof. Thorstena Schumma (TU Wien, Wiedeń) ogłosił ogromny sukces. Po raz pierwszy jądro atomowe zostało przełączone z jednego stanu w drugi za pomocą lasera – efekt ten można wykorzystać do precyzyjnych pomiarów.
Teraz, zaledwie kilka tygodni później, tę przemianę toru z powodzeniem zastosowano w praktyce: TU Wien i JILA/NIST (USA) udało się połączyć wysoce precyzyjny optyczny zegar atomowy z wysokoenergetycznym systemem laserowym i pomyślnie połączyć go z kryształem zawierające jądra atomowe toru. Jądra atomowe toru można teraz wykorzystać jako urządzenie do pomiaru czasu, dzięki czemu zegar jest jeszcze bardziej precyzyjny – jest to pierwszy na świecie zegar nuklearny.
Prototypowanie przyszłości precyzji
Nie zapewnia on jeszcze większej precyzji niż zwykły zegar atomowy, ale nie taki był cel tego pierwszego kroku. „Dzięki temu pierwszemu prototypowi udowodniliśmy, że tor może służyć jako licznik czasu przy bardzo precyzyjnych pomiarach. Pozostało jedynie pracować nad rozwojem technicznym i nie należy spodziewać się już większych przeszkód” – mówi Thorsten Schumm. W czasopiśmie zaprezentowano już pierwszy zegar nuklearny Natura.
Tykanie wiązki lasera
Każdy zegar potrzebuje chronometrażysty – na przykład regularnego ruchu wahadła w zegarze wahadłowym. Obecnie zegary o wysokiej precyzji wykorzystują do tego celu oscylację fal elektromagnetycznych; oscylacje wiązki laserowej są liczone w celu pomiaru odstępów czasu. Jednakże częstotliwość lasera może się nieznacznie zmieniać w czasie, dlatego należy ją ponownie dostosować.
„Dlatego oprócz lasera potrzebny jest system kwantowy, który reaguje wyjątkowo selektywnie na bardzo specyficzną częstotliwość lasera” – wyjaśnia Thorsten Schumm (TU Wien). Mogą to być na przykład atomy cezu lub strontu. Kiedy zostaną uderzone światłem lasera o bardzo określonej częstotliwości, elektrony tych atomów przełączają się między dwoma stanami kwantowymi, co można zmierzyć. Jeśli częstotliwość lasera się zmienia, nie odpowiada ona już dokładnie częstotliwości naturalnej atomów i atomy nie są już wzbudzane tak skutecznie. W takim przypadku należy ponownie wyregulować laser. Technika ta umożliwia utrzymanie niezwykle stabilnej częstotliwości lasera – to podstawowa zasada działania zegara atomowego.
Skok od dokładności atomowej do nuklearnej
Jednak intrygujący pomysł istnieje od dziesięcioleci: gdyby tę sztuczkę można było wykonać nie za pomocą atomale w przypadku jądra atomowego możliwa byłaby jeszcze większa precyzja. Jądra atomowe są znacznie mniejsze od atomów i znacznie słabiej reagują na zakłócenia, takie jak zewnętrzne pola elektromagnetyczne. Jedynym problemem było to, że przełączanie jąder atomowych tam i z powrotem między dwoma stanami zwykle wymaga co najmniej tysiąc razy więcej energii niż fotony lasera.
Jedynym znanym wyjątkiem jest tor: „Jądra toru mają dwa stany o bardzo podobnej energii, więc można je przełączać za pomocą laserów” – mówi Thorsten Schumm. „Ale aby to zadziałało, trzeba bardzo dokładnie znać różnicę energii między tymi dwoma stanami. Zespoły badawcze na całym świecie od wielu lat poszukiwały dokładnej wartości tej różnicy energii, aby móc w sposób celowy zamienić jądra toru – udało nam się to jako pierwsi, taki wynik opublikowaliśmy w kwietniu. ”
Integracja technologii: przekładnie optyczne i grzebienie częstotliwości
Zegar atomowy w JILA (instytucie badawczym NIST i Uniwersytetu w Boulder, USA) został pomyślnie sprzęgnięty z jądrami atomowymi toru. Wymagało to kilku fizycznych sztuczek: „Zegar atomowy wykorzystuje światło lasera w zakresie podczerwieni, które służy do wzbudzania atomów strontu. Jednak nasze jądra atomowe toru potrzebują promieniowania w zakresie UV” – wyjaśnia Thorsten Schumm. „Potrzebujemy zatem sposobu na zamianę częstotliwości podczerwieni na częstotliwości UV, podobnie jak w przypadku mechanicznej przekładni, która za pomocą odpowiednich przekładni zamienia niską częstotliwość obrotową w szybszy obrót”.
Wykorzystano w tym celu ultrakrótkie impulsy lasera podczerwonego składające się z szeregu różnych częstotliwości podczerwieni. Odległość między dwiema sąsiednimi częstotliwościami jest zawsze taka sama, podobnie jak odległość między sąsiednimi zębami grzebienia, dlatego nazywa się to również „grzebieniem częstotliwości”. Ten grzebień częstotliwości światła podczerwonego uderza w gaz ksenonowy, atomy ksenonu następnie reagują na światło podczerwone, wytwarzając światło UV w bardzo dokładnie przewidywalny sposób. To światło UV jest następnie wysyłane na maleńki kryształ zawierający jądra toru. „Ten kryształ jest centralnym elementem eksperymentu” – mówi Thorsten Schumm. „Został wyprodukowany na TU Wien w Wiedniu, a zdobycie niezbędnej wiedzy specjalistycznej wymagało kilku lat prac rozwojowych”.
Obietnica niezrównanej precyzji
Połączenie tych elementów wypadło pomyślnie – w rezultacie powstał pierwszy na świecie zegar nuklearny. Ten pierwszy prototyp nie zapewnia jeszcze zwiększenia precyzji, ale nigdy nie było to zamierzone. „Naszym celem było opracowanie nowej technologii. Kiedy już to nastąpi, wzrost jakości przychodzi naturalnie, tak zawsze było” – mówi Thorsten Schumm. „Pierwsze samochody nie były wcale szybsze od powozów. Chodziło o wprowadzenie nowej koncepcji. I właśnie to osiągnęliśmy dzięki zegarowi nuklearnemu.
Implikacje dla nauki i pomiarów
Umożliwiło to również pomiar energii stanów toru z niezwykłą precyzją, o rzędy wielkości większą niż dotychczas. „Kiedy po raz pierwszy cieszyliśmy się z przejścia, byliśmy w stanie określić częstotliwość z dokładnością do kilku gigaherców. To już było ponad tysiąc razy lepiej niż cokolwiek znanego wcześniej. Teraz jednak mamy precyzję w zakresie kiloherców – który znowu jest milion razy lepszy” – mówi Thorsten Schumm. „W ten sposób spodziewamy się wyprzedzić najlepsze zegary atomowe w ciągu 2-3 lat”.
Technologia ta powinna nie tylko umożliwiać znacznie dokładniejsze pomiary czasu w porównaniu z poprzednimi zegarami, ale w przyszłości powinna także umożliwiać dokładniejszy pomiar innych wielkości fizycznych. W wielu obszarach badań, od geologii po astrofizykę, technologia torowa może zapewnić istotne postępy. Tę niezwykłą precyzję można teraz wykorzystać na przykład do badania podstawowych praw natury i sprawdzania, czy stałe natury nie są w ogóle idealnie stałe, ale ewentualnie zmieniają się w przestrzeni i czasie.
Odniesienie: „Stosunek częstotliwości przejścia izomerycznego 229mTh i zegara atomowego 87Sr” autorstwa Chuankun Zhang, Tian Ooi, Jacob S. Higgins, Jack F. Doyle, Lars von der Wense, Kjeld Beeks, Adrian Leitner, Georgy Kazakov, Peng Li, Peter G. Thirolf, Thorsten Schumm i Jun Ye, 4 września 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07839-6
