Füüsikud on demonstreerinud kõiki aatomkella komponente – seadmeid, mis mõõdavad aega, mõõtes pisikesi energianihkeid aatomituumas. Sellised kellad võivad viia täppismõõtmiste olulise paranemiseni ja uute arusaamadeni fundamentaalfüüsikas.

Teadlased mõõtsid valguse sagedust, mis põhjustab haruldase isotoobi toorium-229 tuumade üleminekut kõrgema energiaga olekusse - aatomkella "kellasse" - täpsusega, mis on 100 000 korda suurem kui varasem parim väärtus. Nad saavutasid selle, sünkroniseerides energia migratsiooni maailma kõige täpsema kella kellaga. Tööd juhtis Jun Ye Colorado osariigis Boulderis asuvas uurimisinstituudis JILA ja see avaldati 5. septembril ajakirjas Nature. "See on tõesti üks viimase aja põnevamaid pabereid," ütleb Newarki Delaware'i ülikooli tuumafüüsik Marianna Safronova.

Läbimurre tuli toorium-229 tuumade uurimisel laserseadmega, mida nimetatakse sageduskammiks. Seadistus ei ole tehniliselt kell, kuna seda pole veel aja mõõtmiseks kasutatud. Kuid sellised muljetavaldavad tulemused võimaldavad aatomkella väljatöötamist, ütleb Safronova.

Kella mõõtmised on juba osutunud kasulikuks osakeste füüsikas, ütleb Saksamaa Hannoveri Leibnizi ülikooli teoreetiline füüsik Elina Fuchs. Ja kuna kella sageduse määravad tuuma koos hoidvad põhijõud, võib prototüüp kindlaks teha, kas teatud tüüpi tumeaine - nähtamatu aine, mis moodustab umbes 85% universumi ainest - mõjutab neid jõude väikesel skaalal. "See on uus, otsene aken tuumaenergiasse, " ütleb Fuchs.

Ülimad ajanäitajad

Maailma parimad kellad, mida nimetatakse aatomkelladeks, mõõdavad aega laserite abil – valguse sagedus on täpselt häälestatud, et saavutada energia, mis on vajalik elektronide liigutamiseks aatomis kahe energiataseme vahel. Kõige täpsem aatomkell võidab või kaotab ainult ühe sekundi iga 40 miljardi aasta järel. Aatomkell töötaks veidi teisiti: kell vastaks pigem prootonite ja neutronite, mitte elektronide energiaüleminekutele, kui nad ergastatud olekusse sisenevad.

See energianihe nõuab veidi kõrgemat ultraviolettsagedust, mille tulemuseks on kiirem ajastus, mis võib ühtida või ületada aatomkella täpsust. Kuid aatomkella suurim potentsiaalne eelis seisneb selle täpsuse ja stabiilsuse kombinatsioonis. Tuumas olevad osakesed on selliste häirete suhtes nagu elektromagnetväljad vähem tundlikud kui elektronid – see tähendab, et aatomkell võib olla kaasaskantav ja vastupidav. "See muutub desensibiliseerituks viisil, mida on raske ette kujutada, pidades silmas seda, kuidas meie kellad tänapäeval töötavad," ütleb Anne Curtis, Ühendkuningriigi Teddingtoni riikliku füüsikalabori eksperimentaalfüüsik.

Kuid sobivat tüüpi aatomituuma leidmine ja selle teise energiaolekusse nihutamiseks vajaliku sageduse määramine on olnud füüsikute jaoks 50 aasta pikkune aeg. 1970. aastatel näitasid kaudsed tõendid, et toorium-229-l oli kummaliselt madala energiatarbega tuumaüleminek, mille võib lõpuks käivitada lauaplasma. Kuid alles eelmisel aastal avastasid teadlased vajaliku sageduse – ja sel aastal algatasid nad laseriga edukalt ülemineku.

JILA meeskond otsis üleminekusagedust triljonites toorium-229 aatomites, mis olid kristallidesse põimitud, kasutades sageduskammina tuntud süsteemi. Kamm loob rea lasersagedusjooni, mis on korrapäraselt ja ühtlaselt paigutatud. See võimaldab teadlastel tabamuse otsimiseks valgustada kristalli korraga paljudel täpsetel sagedustel, selle asemel, et ühe sagedusega laseriga võimalike valikute spektrit vaevaliselt skaneerida.

Kammi seaded – sealhulgas joonte vahede ehk “hammaste” laius – kalibreeriti aatomkella abil ja neid sai reguleerida. Meeskond viis läbi mitu katset ja kuna nad täheldasid iseloomulikku sära, mis tekib siis, kui toorium-229 aatomid ergastatud olekust lagunevad, kasutasid nad seadeid signaali kontrolliva sageduse arvutamiseks.

JILA füüsik, uuringu kaasautor Chuankun Zhang ütleb, et ülemineku esmakordne jälgimine „tundus hämmastavalt. "Tegime terve öö teste, et kontrollida, kas see oli tõesti signaal, mida otsisime," ütleb ta.

Põhijõud

Sageduskammi eripära on see, et see võimaldab füüsikutel mõõta kella sageduskella – siinkohal toorium-229 südamikku – suhtena teise teadaoleva sagedusega, antud juhul aatomkellaga. See mitte ainult ei võimaldanud meeskonnal määrata absoluutse sageduse väärtust suure täpsusega, vaid avas ka huvitavaid võimalusi füüsikas, ütleb Zhang.

Kui ühe kella kiirus muutub aja jooksul teise kella suhtes, võib see viidata sellele, et energiataset määravad tegurid – näiteks tugev tuuma- või elektromagnetiline jõud – triivivad või kõikuvad, ütleb Fuchs. Arvatakse, et teatud tumeaine "kergetel" vormidel, millel on väga väike mass, on see mõju, ütleb ta.

Mis tahes jõudude muutus võimendaks tuuma sisserände sagedust, nii et aatomkellad võivad potentsiaalselt olla umbes 100 miljonit korda tundlikumad seda tüüpi tumeaine mõjude suhtes kui aatomkellad. Viimane tulemus, mis määrab sageduse 13 kümnendkoha täpsusega, on juba piisavalt täpne, et kitsendada võimalikke energiavahemikke, milles hele tumeaine võiks eksisteerida, ütleb Fuchs. Tuumafüüsika võiks kasu saada ka täpsemast üleminekusagedusest, mis võib aidata teadlastel eristada toorium-229 tuuma erinevaid võimalikke vorme.

Kuid enne, kui aatomkellad suudavad ületada aatomkellad, mille täpsus on praegu 19 kohta pärast koma, tuleb teha rohkem tööd. Teadlased uurivad, kas toorium-229 on mõttekas hoida kristalli sees – tahke aine on kantava käekella valmistamiseks mugav – või kas üksikute aatomite piiramine annaks paremaid tulemusi.

Samuti tuleb optimeerida lasersüsteemi. "Õnneks on sellel hämmastaval tehnikal suur potentsiaal," ütleb College Stationis asuva Texase A&M ülikooli füüsik Olga Kocharovskaja. See on "tulevases kellas kasutatav allika prototüüp", lisab ta.