A fizikusok bemutatták az atomóra összes alkatrészét – olyan eszközöket, amelyek az atommagon belüli apró energiaeltolódások mérésével mérik az időt. Az ilyen órák jelentős javulást eredményezhetnek a precíziós mérésekben, valamint új betekintést nyerhetnek az alapvető fizikába.

A kutatók annak a fénynek a frekvenciáját mérték, amely a ritka tórium-229 izotóp magjait magasabb energiájú állapotba - az atomóra "órájába" - való átállásra készteti, a korábbi legjobb értéknél 100 000-szer nagyobb pontossággal. Ezt úgy érték el, hogy az energiavándorlást a világ legpontosabb órájának órájával szinkronizálták. A munkát Jun Ye vezette a JILA-ban, a Colorado állambeli Boulderben található kutatóintézetben, és szeptember 5-én publikálták a Nature-ben. „Ez valóban az egyik legizgalmasabb írás a közelmúltban” – mondja Marianna Safronova, a Newarki Delaware Egyetem atomfizikusa.

Az áttörést a tórium-229 magok egy frekvenciafésűnek nevezett lézerkészülékkel történő vizsgálata hozta meg. A beállítás technikailag nem egy óra, mivel még nem használták idő mérésére. De az ilyen lenyűgöző eredmények lehetővé teszik egy atomóra kifejlesztését, mondja Safronova.

Az óra mérése már hasznosnak bizonyul a részecskefizikában – mondja Elina Fuchs, a németországi Hannoveri Leibniz Egyetem elméleti fizikusa. És mivel az óra frekvenciáját az atommagot összetartó alapvető erők határozzák meg, a prototípus meg tudja határozni, hogy egyfajta sötét anyag – egy láthatatlan anyag, amely az univerzum anyagának körülbelül 85%-át teszi ki – kis léptékben befolyásolja-e ezeket az erőket. „Ez egy új, közvetlen ablak az atomenergiába” – mondja Fuchs.

Végső időmérők

A világ legjobb órái, az úgynevezett atomórák, lézerek segítségével mérik az időt – a fény frekvenciáját pontosan úgy hangolják, hogy elérjék az elektronok atomon belüli két energiaszint közötti mozgatásához szükséges energiát. A legpontosabb atomóra 40 milliárd évenként csak egy másodpercet nyer vagy veszít. Az atomóra kissé másképp működne: az óra a protonok és neutronok energiaátmeneteinek felelne meg, nem pedig az elektronok gerjesztett állapotba kerülésekor.

Ez az energiaeltolódás valamivel magasabb, ultraibolya frekvenciát igényel, ami gyorsabb időzítést eredményez, amely megfelelhet vagy meghaladhatja az atomóra pontosságát. De az atomóra legnagyobb potenciális előnye a pontosság és a stabilitás kombinációjában rejlik. Az atommag részecskéi kevésbé érzékenyek az elektromágneses terekhez hasonló zavarokra, mint az elektronok – ami azt jelenti, hogy az atomóra hordozható és robusztus lehet. „Olyan módon érzéketlenné válik, amit az óráink mai működése szempontjából nehéz elképzelni” – mondja Anne Curtis, az Egyesült Királyság Teddingtoni Nemzeti Fizikai Laboratóriumának kísérleti fizikusa.

Ám a megfelelő típusú atommag megtalálása és a más energiaállapotba való áttérés frekvenciájának meghatározása a fizikusok számára 50 éves lomhát jelentette. Az 1970-es években közvetett bizonyítékok arra utaltak, hogy a tórium-229-nek volt egy furcsán alacsony energiájú nukleáris átmenete, amelyet végül az asztali plazma válthat ki. De a tudósok csak tavaly fedezték fel a szükséges frekvenciát – idén pedig sikeresen kezdeményezték az átmenetet egy lézerrel.

A JILA csapata a kristályba ágyazott tórium-229 atomok billióiban kereste az átmeneti frekvenciát egy frekvenciafésűként ismert rendszer segítségével. A fésű egy sor lézerfrekvenciás vonalat hoz létre, amelyek szabályosan és egyenletesen helyezkednek el. Ez lehetővé teszi a kutatók számára, hogy egyszerre több pontos frekvencián világítsák meg a kristályt, hogy megtalálják a találatot, ahelyett, hogy egyfrekvenciás lézerrel fáradságosan pásztáznák végig a lehetséges lehetőségek spektrumát.

A fésű beállításait - beleértve a vonalak közötti rések, vagyis a "fogak" szélességét is - az atomóra segítségével kalibrálták, és állíthatóak voltak. A csapat több kísérleti futtatást is végrehajtott, és mivel megfigyelték azt a jellegzetes izzást, amely akkor jelentkezik, amikor a tórium-229 atomok lebomlanak gerjesztett állapotukból, a beállítások segítségével kiszámították a jelet vezérlő frekvenciát.

Az átmenet első megfigyelése „elképesztő volt” – mondja Chuankun Zhang, a tanulmány társszerzője, a JILA fizikusa. „Egész éjszaka teszteket végeztünk, hogy ellenőrizzük, valóban ezt a jelet kerestük-e” – mondja.

Alapvető erők

A frekvenciafésű különlegessége, hogy lehetővé teszi a fizikusok számára, hogy egy óra frekvencia óráját - itt a tórium-229 magot - egy másik ismert frekvenciához, jelen esetben egy atomórához viszonyítva mérjék. Ez nemcsak az abszolút frekvenciaérték nagy pontosságú meghatározását tette lehetővé a csapat számára, hanem érdekes lehetőségeket is nyitott a fizikában, mondja Zhang.

Ha az egyik óra órájának sebessége idővel változik a másikhoz képest, az azt jelezheti, hogy az energiaszintet meghatározó tényezők – például az erős nukleáris vagy elektromágneses erő – sodródnak vagy ingadoznak – mondja Fuchs. A sötét anyag bizonyos „könnyű” formáiról, amelyek rendkívül alacsony tömegűek, feltehetően ez a hatás van, mondja.

Az erők bármilyen változása felerősítené a mag befelé irányuló migrációjának gyakoriságát, így az atomórák potenciálisan körülbelül 100 milliószor érzékenyebbek lehetnek az ilyen típusú sötét anyag hatásaira, mint az atomórák. A legújabb eredmény – amely 13 tizedesjegy pontossággal határozza meg a frekvenciát – már elég pontos ahhoz, hogy leszűkítse a lehetséges energiatartományokat, amelyekben a világos sötét anyag létezhet – mondja Fuchs. A nukleáris fizika is profitálhat a pontosabb átmeneti frekvenciából, ami segíthet a tudósoknak megkülönböztetni a tórium-229 mag különböző lehetséges formáit.

De még több munkát kell végezni ahhoz, hogy az atomórák felülmúlhassák az atomórákat – amelyek jelenleg 19 tizedesjegyig pontosak. A kutatók azt vizsgálják, hogy van-e értelme a tórium-229-et kristályba ágyazva tartani – a szilárd anyag praktikus hordható óra készítéséhez –, vagy az egyes atomok behatárolása jobb eredményeket adna.

A lézerrendszert is optimalizálni kell. "Szerencsére ebben a csodálatos technikában nagy lehetőségek rejlenek" - mondja Olga Kocharovskaya, a Texas A&M Egyetem fizikusa. Ez „a forrás prototípusa, amelyet a jövőbeni órában kell használni” – teszi hozzá.