Fysikere har demonstreret alle komponenterne i et atomur - enheder, der måler tid ved at måle små energiskift inden for en atomkerne. Sådanne ure kan føre til betydelige forbedringer i præcisionsmålinger såvel som ny indsigt i fundamental fysik.

Forskerne målte frekvensen af ​​det lys, der får kernerne i den sjældne isotop thorium-229 til at gå over til en højere energitilstand - atomurets "ur" - med en nøjagtighed, der er 100.000 gange højere end den tidligere bedste værdi. Det opnåede de ved at synkronisere energimigrationen med uret på verdens mest præcise ur. Arbejdet blev ledet af Jun Ye ved JILA, et forskningsinstitut i Boulder, Colorado, og offentliggjort den 5. september i Nature. "Det er virkelig en af ​​de mest spændende artikler i nyere tid," siger Marianna Safronova, en kernefysiker ved University of Delaware i Newark.

Gennembruddet kom ved at undersøge thorium-229 kerner med en laseranordning kaldet en frekvenskam. Opsætningen er teknisk set ikke et ur, da det endnu ikke er blevet brugt til at måle tid. Men sådanne imponerende resultater gør udviklingen af ​​et atomur mulig, siger Safronova.

Målinger af uret har allerede vist sig nyttige i partikelfysik, siger Elina Fuchs, en teoretisk fysiker ved Leibniz Universitet Hannover, Tyskland. Og da urets frekvens er bestemt af de fundamentale kræfter, der holder kernen sammen, kunne prototypen afgøre, om en type mørkt stof – et usynligt stof, der udgør omkring 85 % af stoffet i universet – påvirker disse kræfter i en lille skala. "Dette er et nyt, direkte vindue til atomkraft," siger Fuchs.

Ultimative ure

Verdens bedste ure, kaldet atomure, måler tiden ved hjælp af lasere – lysets frekvens er præcist indstillet til at opnå den energi, der skal til for at flytte elektroner mellem to energiniveauer i et atom. Det mest nøjagtige atomur vinder eller taber kun et sekund hver 40 milliarder år. Et atomur ville fungere lidt anderledes: Uret ville svare til protoner og neutroners energiovergange snarere end elektroner, når de går ind i en exciteret tilstand.

Dette energiskift kræver en lidt højere ultraviolet frekvens, hvilket resulterer i hurtigere timing, der kan matche eller overstige atomurets nøjagtighed. Men den største potentielle fordel ved atomuret ligger i dets kombination af præcision og stabilitet. Partikler i kernen er mindre følsomme end elektroner over for forstyrrelser såsom elektromagnetiske felter - hvilket betyder, at et atomur kan være bærbart og robust. "Det bliver desensibiliseret på en måde, som er svær at forestille sig i forhold til, hvordan vores ure fungerer i dag," siger Anne Curtis, en eksperimentel fysiker ved National Physical Laboratory i Teddington, Storbritannien.

Men at finde den rigtige type atomkerne at bruge og bestemme den nødvendige frekvens for at skifte den til en anden energitilstand har været en 50-årig kamp for fysikere. I 1970'erne tydede indirekte beviser på, at thorium-229 havde en mærkelig lavenergi nuklear overgang - en, der i sidste ende kunne blive udløst af bordpladeplasma. Men det var først sidste år, at forskerne opdagede den nødvendige frekvens - og i år indledte de overgangen med en laser.

JILA-teamet søgte efter overgangsfrekvensen i billioner af thorium-229-atomer indlejret i krystallen ved hjælp af et system kendt som en frekvenskam. Kammen skaber en række laserfrekvenslinjer, der er regelmæssigt og jævnt fordelt. Dette giver forskere mulighed for at belyse krystallen ved mange præcise frekvenser på én gang for at søge efter et hit, i stedet for møjsommeligt at scanne gennem spektret af mulige muligheder med en enkeltfrekvenslaser.

Kammens indstillinger - inklusive bredden af ​​mellemrummene mellem linjerne eller "tænderne" - blev kalibreret ved hjælp af atomuret og kunne justeres. Holdet udførte flere eksperimentelle kørsler, og da de observerede den karakteristiske glød, der opstår, når thorium-229-atomer henfalder fra deres exciterede tilstand, brugte de indstillingerne til at beregne frekvensen, der styrer signalet.

At observere overgangen for første gang "føltes fantastisk," siger studiemedforfatter Chuankun Zhang, fysiker ved JILA. "Vi lavede test hele natten for at kontrollere, om dette virkelig var det signal, vi ledte efter," siger han.

Grundlæggende kræfter

Det særlige ved frekvenskammen er, at den giver fysikere mulighed for at måle frekvensuret på et ur – her thorium-229 kernen – i forhold til en anden kendt frekvens, i dette tilfælde et atomur. Dette tillod ikke kun holdet at bestemme den absolutte frekvensværdi med høj præcision, men åbnede også nogle interessante muligheder inden for fysik, siger Zhang.

Hvis hastigheden på et urs ur ændrer sig over tid i forhold til et andet, kan det tyde på, at faktorer, der bestemmer energiniveauer - såsom den stærke kernekraft eller elektromagnetisk kraft - er i drift eller svinger, siger Fuchs. Visse 'lette' former for mørkt stof, som har ekstremt lav masse, menes at have denne effekt, siger hun.

Enhver ændring i kræfter ville blive forstærket i frekvensen af ​​kerneindadgående migration, så atomure kunne potentielt være omkring 100 millioner gange mere følsomme over for virkningerne af denne type mørkt stof end atomure. Det seneste resultat - som præciserer frekvensen med en nøjagtighed på 13 decimaler - er allerede præcis nok til at indsnævre de mulige energiområder, hvor lyst mørkt stof kunne eksistere, siger Fuchs. Kernefysik kunne også drage fordel af den mere præcise overgangsfrekvens, som kunne hjælpe videnskabsmænd med at skelne mellem forskellige mulige former for thorium-229-kernen.

Men der skal arbejdes mere, før atomure kan overgå atomure - som i øjeblikket er nøjagtige til 19 decimaler. Forskere vil undersøge, om det giver mening at holde thorium-229 indlejret i en krystal - et fast stof er praktisk til at lave et bærbart ur - eller om det ville give bedre resultater at begrænse individuelle atomer.

Lasersystemet skal også optimeres. "Heldigvis har denne fantastiske teknik et stort potentiale," siger Olga Kocharovskaya, en fysiker ved Texas A&M University i College Station. Det er en "prototype af kilden, der skal bruges i fremtidens ur," tilføjer hun.