Οι φυσικοί έχουν επιδείξει όλα τα συστατικά ενός ατομικού ρολογιού - συσκευές που μετρούν τον χρόνο μετρώντας μικροσκοπικές ενεργειακές μετατοπίσεις μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα. Τέτοια ρολόγια θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε σημαντικές βελτιώσεις στις μετρήσεις ακριβείας καθώς και σε νέες ιδέες στη θεμελιώδη φυσική.

Οι ερευνητές μέτρησαν τη συχνότητα του φωτός που προκαλεί τη μετάβαση των πυρήνων του σπάνιου ισοτόπου θορίου-229 σε μια υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση - το "ρολόι" του ατομικού ρολογιού - με ακρίβεια 100.000 φορές μεγαλύτερη από την προηγούμενη καλύτερη τιμή. Το πέτυχαν συγχρονίζοντας τη μετανάστευση ενέργειας με το ρολόι του πιο ακριβούς ρολογιού στον κόσμο. Η εργασία διεξήχθη από τον Jun Ye στο JILA, ένα ερευνητικό ινστιτούτο στο Boulder του Κολοράντο, και δημοσιεύτηκε στις 5 Σεπτεμβρίου στο Nature. «Είναι πραγματικά ένα από τα πιο συναρπαστικά έγγραφα της πρόσφατης ανάμνησης», λέει η Marianna Safronova, πυρηνική φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ντέλαγουερ στο Νιούαρκ.

Η ανακάλυψη ήρθε με την εξέταση των πυρήνων του θορίου-229 με μια συσκευή λέιζερ που ονομάζεται χτένα συχνότητας. Η ρύθμιση δεν είναι τεχνικά ρολόι, καθώς δεν έχει χρησιμοποιηθεί ακόμη για τη μέτρηση του χρόνου. Αλλά τέτοια εντυπωσιακά αποτελέσματα καθιστούν δυνατή την ανάπτυξη ενός ατομικού ρολογιού, λέει η Safronova.

Οι μετρήσεις του ρολογιού αποδεικνύονται ήδη χρήσιμες στη σωματιδιακή φυσική, λέει η Elina Fuchs, θεωρητική φυσικός στο Πανεπιστήμιο Leibniz του Ανόβερου της Γερμανίας. Και δεδομένου ότι η συχνότητα του ρολογιού καθορίζεται από τις θεμελιώδεις δυνάμεις που συγκρατούν τον πυρήνα ενωμένο, το πρωτότυπο θα μπορούσε να καθορίσει εάν ένας τύπος σκοτεινής ύλης - μια αόρατη ουσία που αποτελεί περίπου το 85% της ύλης στο σύμπαν - επηρεάζει αυτές τις δυνάμεις σε μικρή κλίμακα. «Αυτό είναι ένα νέο, άμεσο παράθυρο στην πυρηνική ενέργεια», λέει ο Fuchs.

Απόλυτα ρολόγια

Τα καλύτερα ρολόγια του κόσμου, που ονομάζονται ατομικά ρολόγια, μετρούν το χρόνο χρησιμοποιώντας λέιζερ - η συχνότητα του φωτός είναι ρυθμισμένη με ακρίβεια για να επιτυγχάνεται η ενέργεια που απαιτείται για τη μετακίνηση ηλεκτρονίων μεταξύ δύο ενεργειακών επιπέδων μέσα σε ένα άτομο. Το πιο ακριβές ατομικό ρολόι κερδίζει ή χάνει μόνο ένα δευτερόλεπτο κάθε 40 δισεκατομμύρια χρόνια. Ένα ατομικό ρολόι θα λειτουργούσε ελαφρώς διαφορετικά: το ρολόι θα αντιστοιχούσε στις ενεργειακές μεταπτώσεις πρωτονίων και νετρονίων, αντί των ηλεκτρονίων, καθώς εισέρχονται σε διεγερμένη κατάσταση.

Αυτή η μετατόπιση ενέργειας απαιτεί μια ελαφρώς υψηλότερη, υπεριώδη συχνότητα, με αποτέλεσμα ταχύτερο χρονισμό που θα μπορούσε να ταιριάζει ή να υπερβαίνει την ακρίβεια του ατομικού ρολογιού. Αλλά το μεγαλύτερο πιθανό πλεονέκτημα του ατομικού ρολογιού έγκειται στον συνδυασμό ακρίβειας και σταθερότητας. Τα σωματίδια στον πυρήνα είναι λιγότερο ευαίσθητα από τα ηλεκτρόνια σε διαταραχές όπως τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία - που σημαίνει ότι ένα ατομικό ρολόι θα μπορούσε να είναι φορητό και στιβαρό. «Απευαισθητοποιείται με τρόπο που είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς από την άποψη του πώς λειτουργούν τα ρολόγια μας σήμερα», λέει η Anne Curtis, μια πειραματική φυσική στο Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής στο Teddington, στο Ηνωμένο Βασίλειο.

Αλλά η εύρεση του σωστού τύπου ατομικού πυρήνα για χρήση και ο προσδιορισμός της συχνότητας που απαιτείται για τη μετατόπισή του σε διαφορετική ενεργειακή κατάσταση ήταν ένα ρολόι 50 ετών για τους φυσικούς. Στη δεκαετία του 1970, έμμεσα στοιχεία υποδεικνύουν ότι το θόριο-229 είχε μια παράξενα χαμηλής ενέργειας πυρηνική μετάβαση - αυτή που θα μπορούσε τελικά να πυροδοτηθεί από το επιτραπέζιο πλάσμα. Αλλά μόνο πέρυσι οι επιστήμονες ανακάλυψαν τη συχνότητα που χρειαζόταν - και φέτος ξεκίνησαν με επιτυχία τη μετάβαση με λέιζερ.

Η ομάδα JILA αναζήτησε τη συχνότητα μετάβασης σε τρισεκατομμύρια άτομα θορίου-229 που είναι ενσωματωμένα στον κρύσταλλο χρησιμοποιώντας ένα σύστημα γνωστό ως χτένα συχνότητας. Η χτένα δημιουργεί μια σειρά από γραμμές συχνότητας λέιζερ που απέχουν τακτικά και ομοιόμορφα. Αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να φωτίζουν τον κρύσταλλο σε πολλές ακριβείς συχνότητες ταυτόχρονα για να αναζητήσουν ένα χτύπημα, αντί να σαρώνουν επίπονα το φάσμα των πιθανών επιλογών με ένα λέιζερ μίας συχνότητας.

Οι ρυθμίσεις της χτένας - συμπεριλαμβανομένου του πλάτους των κενών μεταξύ των γραμμών ή των "δοντιών" - βαθμονομήθηκαν χρησιμοποιώντας το ατομικό ρολόι και μπορούσαν να προσαρμοστούν. Η ομάδα πραγματοποίησε αρκετές πειραματικές δοκιμές και καθώς παρατήρησε τη χαρακτηριστική λάμψη που εμφανίζεται όταν τα άτομα θορίου-229 αποσυντίθενται από τη διεγερμένη τους κατάσταση, χρησιμοποίησαν τις ρυθμίσεις για να υπολογίσουν τη συχνότητα που ελέγχει το σήμα.

Παρατηρώντας τη μετάβαση για πρώτη φορά «αισθάνθηκα καταπληκτικά», λέει ο συν-συγγραφέας της μελέτης Chuankun Zhang, ένας φυσικός στο JILA. «Κάναμε δοκιμές όλη τη νύχτα για να ελέγξουμε αν αυτό ήταν πράγματι το σήμα που αναζητούσαμε», λέει.

Βασικές δυνάμεις

Το ιδιαίτερο με τη χτένα συχνότητας είναι ότι επιτρέπει στους φυσικούς να μετρούν το ρολόι συχνότητας ενός ρολογιού - εδώ τον πυρήνα του θορίου-229 - ως αναλογία προς μια άλλη γνωστή συχνότητα, σε αυτήν την περίπτωση ένα ατομικό ρολόι. Αυτό όχι μόνο επέτρεψε στην ομάδα να προσδιορίσει την απόλυτη τιμή συχνότητας με υψηλή ακρίβεια, αλλά άνοιξε και μερικές ενδιαφέρουσες δυνατότητες στη φυσική, λέει ο Zhang.

Εάν η ταχύτητα του ρολογιού ενός ρολογιού αλλάζει με την πάροδο του χρόνου σε σχέση με ένα άλλο, θα μπορούσε να υποδεικνύει ότι παράγοντες που καθορίζουν τα επίπεδα ενέργειας - όπως η ισχυρή πυρηνική ή ηλεκτρομαγνητική δύναμη - παρασύρονται ή κυμαίνονται, λέει ο Fuchs. Ορισμένες «ελαφριές» μορφές σκοτεινής ύλης, οι οποίες έχουν εξαιρετικά χαμηλή μάζα, πιστεύεται ότι έχουν αυτό το αποτέλεσμα, λέει.

Οποιαδήποτε αλλαγή στις δυνάμεις θα ενισχύεται στη συχνότητα της μετανάστευσης του πυρήνα προς τα μέσα, έτσι τα ατομικά ρολόγια θα μπορούσαν ενδεχομένως να είναι περίπου 100 εκατομμύρια φορές πιο ευαίσθητα στις επιδράσεις αυτού του τύπου σκοτεινής ύλης από τα ατομικά ρολόγια. Το πιο πρόσφατο αποτέλεσμα - το οποίο προσδιορίζει τη συχνότητα με ακρίβεια 13 δεκαδικών ψηφίων - είναι ήδη αρκετά ακριβές για να περιορίσει τα πιθανά ενεργειακά εύρη στα οποία θα μπορούσε να υπάρχει ελαφριά σκοτεινή ύλη, λέει ο Fuchs. Η πυρηνική φυσική θα μπορούσε επίσης να επωφεληθεί από την πιο ακριβή συχνότητα μετάβασης, η οποία θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να διακρίνουν μεταξύ των διαφορετικών πιθανών μορφών του πυρήνα του θορίου-229.

Αλλά χρειάζεται περισσότερη δουλειά για να μπορέσουν τα ατομικά ρολόγια να ξεπεράσουν τα ατομικά ρολόγια - τα οποία επί του παρόντος είναι ακριβή με 19 δεκαδικά ψηφία. Οι ερευνητές θα μελετήσουν εάν είναι λογικό να διατηρείται το θόριο-229 ενσωματωμένο σε έναν κρύσταλλο - ένα στερεό είναι βολικό για την κατασκευή ενός φορητού ρολογιού - ή εάν ο περιορισμός μεμονωμένων ατόμων θα είχε καλύτερα αποτελέσματα.

Το σύστημα λέιζερ πρέπει επίσης να βελτιστοποιηθεί. «Ευτυχώς, αυτή η εκπληκτική τεχνική έχει μεγάλες δυνατότητες», λέει η Olga Kocharovskaya, φυσική στο Πανεπιστήμιο Texas A&M στο College Station. Είναι ένα «πρωτότυπο της πηγής που θα χρησιμοποιηθεί στο μελλοντικό ρολόι», προσθέτει.