Fyysikot ovat osoittaneet kaikki atomikellon komponentit – laitteet, jotka mittaavat aikaa mittaamalla pieniä energiasiirtymiä atomiytimen sisällä. Tällaiset kellot voivat johtaa merkittäviin parannuksiin tarkkuusmittauksissa sekä uusia oivalluksia perusfysiikassa.

Tutkijat mittasivat valon taajuutta, joka saa harvinaisen isotoopin torium-229 ytimet siirtymään korkeampaan energiatilaan - atomikellon "kelloon" - tarkkuudella, joka on 100 000 kertaa suurempi kuin edellinen paras arvo. He saavuttivat tämän synkronoimalla energian siirtymisen maailman tarkimman kellon kellon kanssa. Työtä johti Jun Ye JILA:ssa, Boulderissa, Coloradossa, ja julkaistiin 5. syyskuuta Nature-lehdessä. "Se on todella yksi jännittävimmistä papereista viime aikoina", sanoo Marianna Safronova, ydinfyysikko Delawaren yliopistosta Newarkissa.

Läpimurto tuli tutkimalla torium-229-ytimiä laserlaitteella, jota kutsutaan taajuuskampaksi. Asetus ei ole teknisesti kello, sillä sitä ei ole vielä käytetty ajan mittaamiseen. Mutta tällaiset vaikuttavat tulokset mahdollistavat atomikellon kehittämisen, sanoo Safronova.

Kellon mittaukset ovat jo osoittautuneet hyödyllisiksi hiukkasfysiikassa, sanoo teoreettinen fyysikko Elina Fuchs Hannoverin Leibnizin yliopistosta Saksasta. Ja koska kellon taajuuden määräävät perusvoimat, jotka pitävät ytimen koossa, prototyyppi voisi määrittää, vaikuttaako pimeän aineen tyyppi - näkymätön aine, joka muodostaa noin 85 % maailmankaikkeuden aineesta - näihin voimiin pienessä mittakaavassa. "Tämä on uusi, suora ikkuna ydinvoimaan", Fuchs sanoo.

Huippukellot

Maailman parhaat kellot, joita kutsutaan atomikelloiksi, mittaavat aikaa lasereilla - valon taajuus on tarkasti viritetty saavuttamaan energia, joka tarvitaan siirtämään elektroneja kahden energiatason välillä atomissa. Tarkin atomikello saa tai menettää vain yhden sekunnin 40 miljardin vuoden välein. Atomikello toimisi hieman eri tavalla: kello vastaisi protonien ja neutronien energiasiirtymiä elektronien sijaan niiden siirtyessä virittyneeseen tilaan.

Tämä energiasiirtymä vaatii hieman korkeamman ultraviolettitaajuuden, mikä johtaa nopeampaan ajoitukseen, joka voi vastata atomikellon tarkkuutta tai ylittää sen. Mutta atomikellon suurin mahdollinen etu on sen tarkkuuden ja vakauden yhdistelmä. Ytimen hiukkaset ovat vähemmän herkkiä kuin elektronit häiriöille, kuten sähkömagneettisille kentille - mikä tarkoittaa, että atomikello voi olla kannettava ja kestävä. "Se tulee tuntemattomaksi tavalla, jota on vaikea kuvitella sen suhteen, miten kellomme toimivat nykyään", sanoo Anne Curtis, kokeellinen fyysikko National Physical Laboratorysta Teddingtonissa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa.

Mutta oikeantyyppisen atomiytimen löytäminen käytettäväksi ja taajuuden määrittäminen, joka tarvitaan sen siirtämiseen toiseen energiatilaan, on ollut fyysikoille 50 vuoden hidastus. 1970-luvulla epäsuorat todisteet viittaavat siihen, että torium-229:llä oli oudon matalaenerginen ydinsiirtymä – sellainen, jonka saattoi lopulta laukaista pöytäplasma. Mutta vasta viime vuonna tiedemiehet löysivät tarvittavan taajuuden - ja tänä vuonna he aloittivat siirtymisen onnistuneesti laserilla.

JILA-tiimi etsi siirtymätaajuutta biljoonista torium-229-atomeista, jotka oli upotettu kiteeseen käyttämällä taajuuskampana tunnettua järjestelmää. Kampa luo sarjan lasertaajuusviivoja, jotka ovat säännöllisesti ja tasaisin välein. Tämän ansiosta tutkijat voivat valaista kiteen useilla tarkoilla taajuuksilla kerralla löytääkseen osuman sen sijaan, että he voisivat skannata vaivalloisesti läpi mahdollisten vaihtoehtojen spektrin yksitaajuisella laserilla.

Kampan asetukset - mukaan lukien viivojen välisten rakojen leveys eli "hampaita" - kalibroitiin atomikellolla ja niitä voitiin säätää. Ryhmä suoritti useita kokeellisia ajoja, ja kun he havaitsivat ominaista hehkua, joka ilmenee, kun torium-229-atomit hajoavat virittyneestä tilastaan, he käyttivät asetuksia signaalia säätelevän taajuuden laskemiseen.

Siirtymän havaitseminen ensimmäistä kertaa "tuntui hämmästyttävältä", sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja Chuankun Zhang, JILAn fyysikko. "Teimme testejä koko yön ajan tarkistaaksemme, oliko tämä todellakin etsimämme signaali", hän sanoo.

Perusvoimat

Taajuuskamman erikoisuus on, että sen avulla fyysikot voivat mitata kellon taajuuskellon - tässä torium-229-ytimen - suhteessa toiseen tunnettuun taajuuteen, tässä tapauksessa atomikelloon. Tämä ei vain mahdollistanut ryhmän absoluuttisen taajuuden arvon määrittämistä suurella tarkkuudella, vaan myös avasi mielenkiintoisia mahdollisuuksia fysiikassa, Zhang sanoo.

Jos yhden kellon nopeus muuttuu ajan myötä suhteessa toiseen, se voi viitata siihen, että energiatasoja määräävät tekijät - kuten voimakas ydinvoima tai sähkömagneettinen voima - ajautuvat tai vaihtelevat, Fuchs sanoo. Tietyillä pimeän aineen "kevyillä" muodoilla, joilla on erittäin pieni massa, uskotaan olevan tämä vaikutus, hän sanoo.

Mikä tahansa muutos voimissa vahvistuisi ytimien sisäänpäin suuntautuvan vaeltamisen taajuudessa, joten atomikellot voivat olla noin 100 miljoonaa kertaa herkempiä tämän tyyppisen pimeän aineen vaikutuksille kuin atomikellot. Viimeisin tulos - joka osoittaa taajuuden 13 desimaalin tarkkuudella - on jo riittävän tarkka kaventaakseen mahdollisia energia-alueita, joilla vaaleaa pimeää ainetta voisi esiintyä, Fuchs sanoo. Ydinfysiikka voisi myös hyötyä tarkemmasta siirtymätaajuudesta, mikä voisi auttaa tutkijoita erottamaan eri mahdolliset torium-229-ytimen muodot.

Mutta enemmän työtä on tehtävä ennen kuin atomikellot voivat ylittää atomikellot - jotka ovat tällä hetkellä 19 desimaalin tarkkuudella. Tutkijat selvittävät, onko järkevää pitää torium-229 upotettuna kiteen - kiinteä aine on kätevä puettavan kellon valmistamiseen - vai tuottaisiko yksittäisten atomien sulkeminen parempia tuloksia.

Laserjärjestelmä on myös optimoitava. "Onneksi tällä hämmästyttävällä tekniikalla on suuri potentiaali", sanoo Olga Kocharovskaya, fyysikko Texas A&M Universitystä College Stationissa. Se on "prototyyppi lähteestä, jota käytetään tulevassa kellossa", hän lisää.