Międzynarodowy zespół w JILA jest pionierem w dziedzinie zegara nuklearnego, który pod względem precyzji przewyższa obecne zegary atomowe, potencjalnie umożliwiając postęp w GPSsynchronizacja Internetu i bezpieczna komunikacja.
Ich praca, wykorzystująca jądra toru i lasery ultrafioletowe, ustanowiła także kluczowe powiązanie z istniejącymi atomowymi systemami pomiaru czasu, oferując wgląd w podstawową fizykę i potencjał w zakresie solidniejszych, przenośnych zegarów.
Rewolucja w mierzeniu czasu: pojawienie się zegarów nuklearnych
Świat odmierza czas zgodnie z tykaniem zegarów atomowych, ale opracowywany nowy typ zegara – zegar nuklearny – może zrewolucjonizować sposób mierzenia czasu i badania podstawowych praw fizyki.
Międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez naukowców z JILA, wspólnego instytutu Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) i Uniwersytetu Colorado w Boulder, zademonstrował kluczowe elementy zegara nuklearnego. Zegar nuklearny to nowatorski rodzaj urządzenia do pomiaru czasu, które wykorzystuje sygnały z rdzenia lub jądra atomu atom. Zespół wykorzystał specjalnie zaprojektowany laser ultrafioletowy do precyzyjnego pomiaru częstotliwości skoków energii w jądrach toru osadzonych w stałym krysztale. Zastosowali także optyczny grzebień częstotliwości, który działa jak niezwykle dokładna linijka światła, aby zliczyć liczbę cykli fal ultrafioletowych powodujących ten skok energii. Chociaż ta laboratoryjna demonstracja nie jest w pełni rozwiniętym zegarem nuklearnym, zawiera w sobie całą podstawową technologię.
Zwiększona precyzja i integracja technologii
Zegary nuklearne mogłyby być znacznie dokładniejsze niż obecne zegary atomowe, które podają oficjalny czas międzynarodowy i odgrywają główną rolę w technologiach takich jak GPS, synchronizacja Internetu i transakcje finansowe. Dla ogółu społeczeństwa rozwój ten może ostatecznie oznaczać jeszcze bardziej precyzyjne systemy nawigacji (z GPS lub bez), szybsze łącze internetowe, bardziej niezawodne połączenia sieciowe i bezpieczniejszą komunikację cyfrową.
Oprócz technologii stosowanej na co dzień zegary nuklearne mogą ulepszyć testy podstawowych teorii działania wszechświata, potencjalnie prowadząc do nowych odkryć w fizyce. Mogą pomóc w wykryciu ciemnej materii lub zweryfikowaniu, czy stałe natury są naprawdę stałe, umożliwiając weryfikację teorii fizyki cząstek elementarnych bez konieczności stosowania wielkoskalowych akceleratorów cząstek.
Laserowa precyzja w mierzeniu czasu
Zegary atomowe mierzą czas, dostrajając światło lasera do częstotliwości, które powodują przeskakiwanie elektronów między poziomami energii. Zegary jądrowe wykorzystywałyby skoki energii w maleńkim centralnym obszarze atomu, znanym jako jądro, gdzie gromadzą się cząstki zwane protonami i neutronami. Te skoki energii przypominają włączenie włącznika światła. Świecące światło lasera o dokładnie takiej ilości energii potrzebnej do tego skoku może przełączyć ten nuklearny „przełącznik”.
Zegar nuklearny miałby duże zalety w zakresie precyzji zegara. W porównaniu z elektronami w zegarach atomowych, jądro jest znacznie mniej podatne na zakłócenia zewnętrzne, takie jak rozproszone pola elektromagnetyczne. Światło lasera potrzebne do wywołania skoków energii w jądrach ma znacznie wyższą częstotliwość niż częstotliwość wymagana w zegarach atomowych. Ta wyższa częstotliwość – co oznacza więcej cykli fal na sekundę – jest bezpośrednio powiązana z większą liczbą „taktów” na sekundę, a zatem prowadzi do dokładniejszego pomiaru czasu.
Wyzwania i kamienie milowe w rozwoju
Ale bardzo trudno jest stworzyć zegar nuklearny. Aby nastąpił skok energii, większość jąder atomowych musi zostać uderzona spójnymi promieniami rentgenowskimi (formą światła o wysokiej częstotliwości) o energiach znacznie większych niż te, które można wytworzyć przy użyciu obecnej technologii. Dlatego naukowcy skupili się na torze-229, atomie, którego jądro charakteryzuje się mniejszym skokiem energii niż jakikolwiek inny znany atom, wymagającym światła ultrafioletowego (którego energia jest niższa niż promieniowanie rentgenowskie).
W 1976 roku naukowcy odkryli skok energii toru, znany w języku fizyki jako „przejście nuklearne”. W 2003 r. naukowcy zaproponowali wykorzystanie tego przejścia do stworzenia zegara i bezpośrednio zaobserwowali je dopiero w 2016 r. Na początku tego roku dwa różne zespoły badawcze wykorzystali lasery ultrafioletowe, które stworzyli w laboratorium, aby przełączyć jądrowy „przełącznik” i zmierzyć potrzebną do tego długość fali światła.
Przełomy i perspektywy na przyszłość
W nowej pracy badacze z JILA i ich współpracownicy tworzą wszystkie istotne części zegara: przejście jądrowe toru-229 zapewniające „tykanie” zegara, laser wytwarzający precyzyjne skoki energii pomiędzy poszczególnymi stanami kwantowymi jądra, oraz grzebień częstotliwości do bezpośrednich pomiarów tych „kleszczy”. Dzięki tym wysiłkom osiągnięto poziom precyzji milion razy wyższy niż w przypadku poprzedniego pomiaru opartego na długości fali. Ponadto porównali tę częstotliwość ultrafioletową bezpośrednio z częstotliwością optyczną wykorzystywaną w jednym z najdokładniejszych na świecie zegarów atomowych, który wykorzystuje atomy strontu, ustanawiając pierwsze bezpośrednie połączenie częstotliwości między przejściem jądrowym a zegarem atomowym. To bezpośrednie połączenie częstotliwości i zwiększenie precyzji stanowią kluczowy krok w rozwoju zegara nuklearnego i integracji go z istniejącymi systemami pomiaru czasu.
Badania przyniosły już bezprecedensowe wyniki, w tym możliwość obserwacji szczegółów kształtu jądra toru, których nikt wcześniej nie zaobserwował – to jak oglądanie pojedynczych źdźbeł trawy z samolotu.
Zespół przedstawił swoje wyniki w numerze czasopisma z 4 września Natura jako historia z okładki.
Na horyzoncie: przenośny i precyzyjny pomiar czasu
Chociaż nie jest to jeszcze działający zegar nuklearny, jest to kluczowy krok w kierunku stworzenia takiego zegara, który mógłby być zarówno przenośny, jak i wysoce stabilny. Zastosowanie toru osadzonego w stałym krysztale w połączeniu ze zmniejszoną wrażliwością jądra na zakłócenia zewnętrzne toruje drogę potencjalnie kompaktowym i solidnym urządzeniom do pomiaru czasu.
„Wyobraźmy sobie zegarek, który nie straci ani sekundy, nawet jeśli pozostawimy go włączonego przez miliardy lat” – powiedział Jun Ye, fizyk z NIST i JILA. „Chociaż jeszcze nie osiągnęliśmy tego celu, te badania przybliżają nas do tego poziomu precyzji”.
Więcej informacji na temat tego przełomu można znaleźć w artykule Precyzja spotyka się z mocą w pierwszym na świecie torowym zegarze jądrowym.
Odniesienie: „Stosunek częstotliwości 229 mJądrowe przejście izomeryczne i 87Sr atom clock” autorstwa Chuankun Zhanga, Tian Ooi, Jacoba S. Higginsa, Jacka F. Doyle’a, Larsa von der Wense, Kjelda Beeksa, Adriana Leitnera, Georgy’ego A. Kazakova, Peng Li, Petera G. Thirolfa, Thorstena Schumma i Jun Ye , 4 września 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07839-6
W skład zespołu badawczego weszli badacze z JILA, wspólnego instytutu NIST i Uniwersytetu Colorado Boulder; Wiedeńskie Centrum Nauki i Technologii Kwantowej; oraz IMRA America, Inc.
