Fizikai pademonstravo visus atominio laikrodžio komponentus – prietaisus, kurie matuoja laiką matuodami mažyčius energijos poslinkius atomo branduolyje. Tokie laikrodžiai gali žymiai pagerinti tikslumo matavimus ir suteikti naujų įžvalgų pagrindinėje fizikoje.

Mokslininkai išmatavo šviesos dažnį, dėl kurio reto izotopo torio-229 branduoliai pereina į aukštesnės energijos būseną – atominio laikrodžio „laikrodį“ – 100 000 kartų didesniu tikslumu nei ankstesnė geriausia vertė. Jie tai pasiekė sinchronizuodami energijos migraciją su tiksliausio pasaulio laikrodžio laikrodžiu. Darbui vadovavo Jun Ye iš JILA, tyrimų instituto Boulder mieste, Kolorado valstijoje, ir paskelbtas rugsėjo 5 d. „Tai tikrai vienas įdomiausių straipsnių pastaruoju metu“, – sako Marianna Safronova, branduolinė fizikė iš Delavero universiteto Niuarke.

Proveržis įvyko tiriant torio-229 branduolius lazeriniu prietaisu, vadinamu dažninėmis šukomis. Sąranka techniškai nėra laikrodis, nes jis dar nebuvo naudojamas laikui matuoti. Tačiau tokie įspūdingi rezultatai leidžia sukurti atominį laikrodį, sako Safronova.

Laikrodžio matavimai jau pasirodė naudingi dalelių fizikoje, sako Elina Fuchs, Hanoverio Leibnizo universiteto (Vokietija) fizikė. Ir kadangi laikrodžio dažnį lemia pagrindinės jėgos, laikančios branduolį kartu, prototipas galėtų nustatyti, ar tam tikros rūšies tamsioji materija – nematoma medžiaga, kuri sudaro apie 85 % visatos materijos – daro tam tikrą įtaką šioms jėgoms nedideliu mastu. „Tai naujas, tiesioginis langas į branduolinę energiją“, – sako Fuchsas.

Išskirtiniai laikrodžiai

Geriausi pasaulio laikrodžiai, vadinami atominiais laikrodžiais, matuoja laiką naudodami lazerius – šviesos dažnis yra tiksliai sureguliuotas, kad būtų pasiekta energija, reikalinga elektronams perkelti tarp dviejų energijos lygių atome. Tiksliausias atominis laikrodis įgyja arba praranda tik vieną sekundę kas 40 milijardų metų. Atominis laikrodis veiktų šiek tiek kitaip: laikrodis atitiktų protonų ir neutronų, o ne elektronų, energijos perėjimus, kai jie patenka į sužadinimo būseną.

Šis energijos poslinkis reikalauja šiek tiek didesnio ultravioletinio dažnio, todėl laikas yra greitesnis, kuris gali atitikti arba viršyti atominio laikrodžio tikslumą. Tačiau didžiausias potencialus atominio laikrodžio pranašumas yra jo tikslumo ir stabilumo derinys. Branduolyje esančios dalelės yra mažiau jautrios trikdžiams, tokiems kaip elektromagnetiniai laukai, o tai reiškia, kad atominis laikrodis gali būti nešiojamas ir tvirtas. „Jis tampa desensibilizuotas tokiu būdu, kurį sunku įsivaizduoti atsižvelgiant į tai, kaip šiandien veikia mūsų laikrodžiai“, – sako Anne Curtis, Nacionalinės fizinės laboratorijos Tedingtone, Jungtinėje Karalystėje, eksperimentinė fizikė.

Tačiau rasti tinkamo tipo atominį branduolį ir nustatyti dažnį, reikalingą jo perkėlimui į kitą energijos būseną, fizikams truko 50 metų. Aštuntajame dešimtmetyje netiesioginiai įrodymai leido manyti, kad torio-229 branduolinis perėjimas buvo keistai mažas energijos suvartojimas, kurį galiausiai gali sukelti stalviršio plazma. Tačiau tik praėjusiais metais mokslininkai atrado reikiamą dažnį – ir šiemet sėkmingai inicijavo perėjimą lazeriu.

JILA komanda ieškojo perėjimo dažnio trilijonuose torio-229 atomų, įterptų į kristalą, naudodama sistemą, vadinamą dažnio šukomis. Šukos sukuria seriją lazerio dažnio linijų, kurios yra reguliariai ir tolygiai išdėstytos. Tai leidžia tyrėjams vienu metu apšviesti kristalą daugeliu tikslių dažnių, kad būtų galima ieškoti smūgio, o ne sunkiai skenuoti galimų variantų spektrą vieno dažnio lazeriu.

Šukų nustatymai – įskaitant tarpų tarp linijų arba „dantukų“ plotį – buvo sukalibruoti naudojant atominį laikrodį ir juos buvo galima reguliuoti. Komanda atliko keletą eksperimentinių važiavimų ir, stebėdami būdingą švytėjimą, atsirandantį, kai torio-229 atomai suyra iš sužadintos būsenos, naudojo nustatymus, kad apskaičiuotų signalą valdantį dažnį.

Pirmą kartą stebėdamas perėjimą „jautėmės nuostabiai“, sako tyrimo bendraautorius Chuankun Zhang, JILA fizikas. „Visą naktį atlikome bandymus, kad patikrintume, ar tai tikrai buvo signalas, kurio ieškojome“, – sako jis.

Pagrindinės jėgos

Dažnio šukos ypatingas tuo, kad jos leidžia fizikai matuoti laikrodžio – čia torio-229 šerdies – dažnį kaip santykį su kitu žinomu dažniu, šiuo atveju atominiu laikrodžiu. Tai ne tik leido komandai labai tiksliai nustatyti absoliučią dažnio vertę, bet ir atvėrė įdomių galimybių fizikoje, sako Zhang.

Jei vieno laikrodžio greitis laikui bėgant kinta, palyginti su kito laikrodžio greičiu, tai gali reikšti, kad energijos lygį lemiantys veiksniai – pavyzdžiui, stipri branduolinė ar elektromagnetinė jėga – dreifuoja arba svyruoja, sako Fuchsas. Manoma, kad tam tikros „šviesios“ tamsiosios medžiagos formos, kurių masė labai maža, turi tokį poveikį, sako ji.

Bet koks jėgų pokytis padidėtų branduolio migracijos į vidų dažnis, todėl atominiai laikrodžiai gali būti maždaug 100 milijonų kartų jautresni tokio tipo tamsiosios medžiagos poveikiui nei atominiai laikrodžiai. Naujausias rezultatas, kuris tiksliai nustato dažnį 13 ženklų po kablelio tikslumu, jau yra pakankamai tikslus, kad susiaurintų galimus energijos diapazonus, kuriuose galėtų egzistuoti šviesioji tamsioji medžiaga, sako Fuchsas. Branduolinei fizikai taip pat galėtų būti naudingas tikslesnis perėjimo dažnis, kuris galėtų padėti mokslininkams atskirti skirtingas galimas torio-229 branduolio formas.

Tačiau reikia nuveikti daugiau, kad atominiai laikrodžiai pranoktų atominius laikrodžius, kurių tikslumas šiuo metu yra 19 ženklų po kablelio. Tyrėjai tirs, ar prasminga laikyti torį-229 įdėtą į kristalą – kieta medžiaga yra patogu gaminant nešiojamąjį laikrodį – ar atskirų atomų uždarymas duos geresnių rezultatų.

Taip pat reikia optimizuoti lazerinę sistemą. „Laimei, ši nuostabi technika turi didelį potencialą“, – sako Olga Kocharovskaya, Teksaso A&M universiteto College Station fizikė. Tai yra „šaltinio prototipas, kuris bus naudojamas būsimame laikrodyje“, - priduria ji.