Fizičari su demonstrirali sve komponente atomskog sata - uređaje koji mjere vrijeme mjerenjem sićušnih energetskih pomaka unutar atomske jezgre. Takvi bi satovi mogli dovesti do značajnih poboljšanja u preciznim mjerenjima, kao i do novih uvida u temeljnu fiziku.

Istraživači su izmjerili frekvenciju svjetlosti koja uzrokuje prijelaz jezgri rijetkog izotopa torija-229 u stanje više energije - "sat" atomskog sata - s točnošću 100.000 puta većom od prethodne najbolje vrijednosti. To su postigli sinkronizacijom migracije energije sa satom najpreciznijeg sata na svijetu. Rad je vodio Jun Ye iz JILA, istraživačkog instituta u Boulderu, Colorado, a objavljen je 5. rujna u časopisu Nature. “To je doista jedan od najuzbudljivijih članaka u posljednje vrijeme”, kaže Marianna Safronova, nuklearna fizičarka sa Sveučilišta Delaware u Newarku.

Do otkrića je došlo ispitivanjem jezgri torija-229 laserskim uređajem koji se zove frekvencijski češalj. Postavka tehnički nije sat jer se još nije koristila za mjerenje vremena. Ali takvi impresivni rezultati omogućuju razvoj atomskog sata, kaže Safronova.

Mjerenja sata već su se pokazala korisnima u fizici čestica, kaže Elina Fuchs, teorijska fizičarka sa Sveučilišta Leibniz u Hannoveru, Njemačka. A budući da je frekvencija sata određena temeljnim silama koje drže jezgru na okupu, prototip bi mogao odrediti utječe li vrsta tamne tvari - nevidljive tvari koja čini oko 85% materije u svemiru - na te sile u maloj mjeri. "Ovo je novi, izravan prozor u nuklearnu energiju", kaže Fuchs.

Vrhunski satovi

Najbolji satovi na svijetu, zvani atomski satovi, mjere vrijeme pomoću lasera - frekvencija svjetlosti je precizno podešena kako bi se postigla energija potrebna za pomicanje elektrona između dvije energetske razine unutar atoma. Najprecizniji atomski sat dobiva ili gubi samo jednu sekundu svakih 40 milijardi godina. Atomski sat bi radio malo drugačije: sat bi odgovarao energetskim prijelazima protona i neutrona, a ne elektrona, dok ulaze u pobuđeno stanje.

Ovaj energetski pomak zahtijeva malo višu, ultraljubičastu frekvenciju, što rezultira bržim mjerenjem vremena koje bi moglo odgovarati ili premašiti točnost atomskog sata. Ali najveća potencijalna prednost atomskog sata leži u njegovoj kombinaciji preciznosti i stabilnosti. Čestice u jezgri manje su osjetljive od elektrona na poremećaje kao što su elektromagnetska polja - što znači da bi atomski sat mogao biti prenosiv i robustan. "Postaje desenzibiliziran na način koji je teško zamisliti u smislu načina na koji naši satovi danas rade", kaže Anne Curtis, eksperimentalna fizičarka u Nacionalnom fizikalnom laboratoriju u Teddingtonu, Ujedinjeno Kraljevstvo.

Ali pronalaženje prave vrste atomske jezgre za korištenje i određivanje frekvencije potrebne za njezino prebacivanje u drugo energetsko stanje bio je 50-godišnji posao za fizičare. U 1970-ima neizravni dokazi upućuju na to da je torij-229 imao neobično niskoenergetski nuklearni prijelaz - onaj koji bi na kraju mogla pokrenuti plazma sa stola. Ali tek su prošle godine znanstvenici otkrili potrebnu frekvenciju - a ove su godine uspješno započeli prijelaz laserom.

Tim JILA-e tražio je prijelaznu frekvenciju u trilijunima atoma torija-229 ugrađenih u kristal koristeći sustav poznat kao frekvencijski češalj. Češalj stvara niz laserskih frekvencijskih linija koje su pravilno i ravnomjerno raspoređene. To omogućuje istraživačima da osvijetle kristal na više preciznih frekvencija odjednom kako bi tražili pogodak, umjesto mukotrpnog skeniranja kroz spektar mogućih opcija jednofrekventnim laserom.

Postavke češlja - uključujući širinu razmaka između linija ili "zubica" - kalibrirane su pomoću atomskog sata i mogle su se podešavati. Tim je proveo nekoliko eksperimentalnih pokreta, i dok su promatrali karakterističan sjaj koji se javlja kada se atomi torija-229 raspadnu iz svog pobuđenog stanja, upotrijebili su postavke za izračunavanje frekvencije koja kontrolira signal.

Promatranje prijelaza po prvi put "činilo se nevjerojatnim", kaže koautor studije Chuankun Zhang, fizičar s JILA-e. “Radili smo testove cijelu noć kako bismo provjerili je li to doista signal koji smo tražili”, kaže.

Osnovne sile

Ono što je posebno u vezi s frekvencijskim češljem je to što omogućuje fizičarima mjerenje takta frekvencije sata - ovdje jezgre torija-229 - kao omjer prema drugoj poznatoj frekvenciji, u ovom slučaju atomskom satu. Ovo ne samo da je omogućilo timu da odredi apsolutnu vrijednost frekvencije s velikom preciznošću, već je otvorilo i neke zanimljive mogućnosti u fizici, kaže Zhang.

Ako se brzina sata jednog sata mijenja tijekom vremena u odnosu na drugi, to bi moglo ukazivati ​​na to da čimbenici koji određuju razine energije - poput jake nuklearne ili elektromagnetske sile - variraju ili fluktuiraju, kaže Fuchs. Smatra se da određeni 'svjetli' oblici tamne tvari, koji imaju iznimno malu masu, imaju takav učinak, kaže ona.

Svaka promjena u silama bila bi pojačana u učestalosti migracije jezgre prema unutra, tako da bi atomski satovi potencijalno mogli biti oko 100 milijuna puta osjetljiviji na učinke ove vrste tamne tvari od atomskih satova. Najnoviji rezultat - koji određuje frekvenciju do točnosti od 13 decimalnih mjesta - već je dovoljno precizan da suzi moguće energetske raspone u kojima bi svijetla tamna tvar mogla postojati, kaže Fuchs. Nuklearna fizika bi također mogla imati koristi od preciznije frekvencije prijelaza, što bi moglo pomoći znanstvenicima da razlikuju različite moguće oblike jezgre torija-229.

Ali potrebno je obaviti još posla prije nego što atomski satovi nadmaše atomske satove - koji su trenutno točni do 19 decimalnih mjesta. Istraživači će proučavati ima li smisla držati torij-229 ugrađen u kristal - krutina je zgodna za izradu nosivog sata - ili bi ograničavanje pojedinačnih atoma dalo bolje rezultate.

Laserski sustav također treba optimizirati. "Srećom, ova nevjerojatna tehnika ima veliki potencijal", kaže Olga Kocharovskaya, fizičarka sa sveučilišta Texas A&M u College Stationu. To je "prototip izvora koji će se koristiti u budućem satu", dodaje ona.