Fyzici prokázali všechny součásti atomových hodin – zařízení, která měří čas měřením nepatrných energetických posunů v atomovém jádru. Takové hodiny by mohly vést k významným zlepšením v přesnosti měření a také k novým poznatkům v základní fyzice.

Vědci změřili frekvenci světla, které způsobuje přechod jader vzácného izotopu thorium-229 do stavu s vyšší energií – „hodiny“ atomových hodin – s přesností 100 000krát vyšší, než byla předchozí nejlepší hodnota. Dosáhli toho synchronizací energetické migrace s hodinami nejpřesnějších světových hodin. Práce vedl Jun Ye z JILA, výzkumného ústavu v Boulderu v Coloradu, a publikoval 5. září v Nature. „Je to opravdu jeden z nejzajímavějších článků v poslední době,“ říká Marianna Safronová, jaderná fyzička na University of Delaware v Newarku.

Průlom nastal při zkoumání jader thoria-229 pomocí laserového zařízení zvaného frekvenční hřeben. Nastavení není technicky hodinky, protože ještě nebylo použito k měření času. Ale takové působivé výsledky umožňují vývoj atomových hodin, říká Safronova.

Měření hodin se již ukazuje jako užitečná ve fyzice částic, říká Elina Fuchs, teoretická fyzička z Leibniz University Hannover, Německo. A protože frekvence hodin je určena základními silami, které drží jádro pohromadě, prototyp mohl určit, zda typ temné hmoty - neviditelná látka, která tvoří asi 85 % hmoty ve vesmíru - ovlivňuje tyto síly v nepatrném měřítku. "Toto je nové, přímé okno do jaderné energetiky," říká Fuchs.

Špičkové hodinky

Nejlepší světové hodiny, nazývané atomové hodiny, měří čas pomocí laserů – frekvence světla je přesně vyladěna tak, aby bylo dosaženo energie potřebné k pohybu elektronů mezi dvěma energetickými hladinami v atomu. Nejpřesnější atomové hodiny získávají nebo ztrácejí pouze jednu sekundu každých 40 miliard let. Atomové hodiny by fungovaly trochu jinak: hodiny by odpovídaly energetickým přechodům protonů a neutronů, spíše než elektronů, když vstupují do excitovaného stavu.

Tento energetický posun vyžaduje mírně vyšší ultrafialovou frekvenci, což má za následek rychlejší časování, které by mohlo odpovídat nebo překračovat přesnost atomových hodin. Ale největší potenciální výhoda atomových hodin spočívá v jejich kombinaci přesnosti a stability. Částice v jádře jsou méně citlivé než elektrony na poruchy, jako jsou elektromagnetická pole – což znamená, že atomové hodiny by mohly být přenosné a robustní. "Stává se znecitlivělým způsobem, který si lze jen těžko představit z hlediska toho, jak dnes naše hodiny fungují," říká Anne Curtisová, experimentální fyzička z National Physical Laboratory v Teddingtonu ve Spojeném království.

Ale najít správný typ atomového jádra k použití a určit frekvenci potřebnou k jeho posunutí do jiného energetického stavu bylo pro fyziky 50letým dřinou. V 70. letech 20. století nepřímé důkazy naznačovaly, že thorium-229 mělo podivně nízkoenergetický jaderný přechod - takový, který by mohl být nakonec spuštěn stolním plazmatem. Potřebnou frekvenci ale vědci objevili až loni – a letos úspěšně zahájili přechod pomocí laseru.

Tým JILA hledal přechodovou frekvenci v bilionech atomů thoria-229 zabudovaných v krystalu pomocí systému známého jako frekvenční hřeben. Hřeben vytváří řadu laserových frekvenčních čar, které jsou pravidelně a rovnoměrně rozmístěny. To umožňuje výzkumníkům osvětlit krystal na mnoha přesných frekvencích najednou, aby hledali zásah, spíše než pracně skenovat spektrum možných možností pomocí jednofrekvenčního laseru.

Nastavení hřebene - včetně šířky mezer mezi čarami nebo "zuby" - bylo kalibrováno pomocí atomových hodin a bylo možné je upravit. Tým provedl několik experimentálních běhů, a když pozorovali charakteristickou záři, která nastává, když se atomy thoria-229 rozpadají z jejich excitovaného stavu, použili nastavení k výpočtu frekvence, která řídí signál.

První pozorování přechodu „připadalo úžasné,“ říká spoluautor studie Chuankun Zhang, fyzik z JILA. "Celou noc jsme dělali testy, abychom ověřili, zda je to skutečně signál, který jsme hledali," říká.

Základní síly

Na frekvenčním hřebenu je zvláštní to, že umožňuje fyzikům měřit frekvenční hodiny hodin - zde jádro thorium-229 - jako poměr k jiné známé frekvenci, v tomto případě atomových hodin. To týmu nejen umožnilo určit hodnotu absolutní frekvence s vysokou přesností, ale také otevřelo některé zajímavé možnosti ve fyzice, říká Zhang.

Pokud se rychlost hodin jedněch hodin mění v čase vzhledem k jiným, mohlo by to naznačovat, že faktory, které určují energetické hladiny – jako je silná jaderná nebo elektromagnetická síla – se pohybují nebo kolísají, říká Fuchs. Předpokládá se, že tento účinek mají určité „světlé“ formy temné hmoty, které mají extrémně nízkou hmotnost, říká.

Jakákoli změna sil by byla zesílena ve frekvenci migrace jádra dovnitř, takže atomové hodiny by mohly být potenciálně asi 100 milionkrát citlivější na účinky tohoto typu temné hmoty než atomové hodiny. Nejnovější výsledek - který určuje frekvenci s přesností na 13 desetinných míst - je již dostatečně přesný, aby zúžil možné energetické rozsahy, ve kterých by světlá temná hmota mohla existovat, říká Fuchs. Jaderná fyzika by také mohla těžit z přesnější frekvence přechodu, která by mohla pomoci vědcům rozlišit různé možné formy jádra thoria-229.

Je však třeba udělat více práce, než atomové hodiny překonají atomové hodiny – které jsou v současnosti přesné na 19 desetinných míst. Výzkumníci budou zkoumat, zda má smysl ponechat thorium-229 zapuštěné v krystalu – pevná látka se hodí pro výrobu nositelných hodinek – nebo zda by lepší výsledky přineslo omezení jednotlivých atomů.

Laserový systém je také potřeba optimalizovat. „Naštěstí má tato úžasná technika velký potenciál,“ říká Olga Kocharovskaya, fyzička z Texas A&M University v College Station. Je to „prototyp zdroje, který bude použit v budoucích hodinkách,“ dodává.