Fiziķi ir pierādījuši visas atomu pulksteņa sastāvdaļas - ierīces, kas mēra laiku, mērot nelielas enerģijas nobīdes atoma kodolā. Šādi pulksteņi var radīt būtiskus uzlabojumus precizitātes mērījumos, kā arī jaunus ieskatus fundamentālajā fizikā.

The researchers measured the frequency of the light that causes the nuclei of the rare isotope thorium-229 to transition to a higher energy state - the "clock" of the atomic clock - with an accuracy 100,000 times higher than the previous best value. Viņi to panāca, sinhronizējot enerģijas migrāciju ar pasaules precīzākā pulksteņa pulksteni. Darbu vadīja Jun Ye JILA, pētniecības institūtā Boulderā, Kolorādo, un tas tika publicēts 5. septembrī Nature. “It's really one of the most exciting papers in recent memory,” says Marianna Safronova, a nuclear physicist at the University of Delaware in Newark.

Izrāviens tika panākts, pārbaudot torija-229 kodolus ar lāzera ierīci, ko sauc par frekvences ķemmi. Iestatījums tehniski nav pulkstenis, jo tas vēl nav izmantots laika mērīšanai. Taču šādi iespaidīgi rezultāti padara iespējamu atompulksteņa izstrādi, saka Safronova.

Pulksteņa mērījumi jau ir izrādījušies noderīgi daļiņu fizikā, saka Elīna Fuksa, Hannoveres Leibnicas universitātes (Vācija) teorētiskā fiziķe. Un tā kā pulksteņa frekvenci nosaka pamatspēki, kas satur kodolu kopā, prototips varētu noteikt, vai tumšās matērijas veids - neredzama viela, kas veido apmēram 85% no Visuma matērijas - ietekmē šos spēkus nelielā mērogā. "Tas ir jauns, tiešs logs kodolenerģijai," saka Fukss.

Izcili pulksteņi

Pasaulē labākie pulksteņi, ko sauc par atompulksteņiem, mēra laiku, izmantojot lāzerus – gaismas frekvence ir precīzi noregulēta, lai sasniegtu enerģiju, kas nepieciešama elektronu pārvietošanai starp diviem enerģijas līmeņiem atomā. Visprecīzākais atompulkstenis iegūst vai zaudē tikai vienu sekundi ik pēc 40 miljardiem gadu. Atompulkstenis darbotos nedaudz savādāk: pulkstenis atbilstu protonu un neitronu, nevis elektronu enerģijas pārejām, tiem nonākot ierosinātā stāvoklī.

Šai enerģijas maiņai ir nepieciešama nedaudz augstāka ultravioletā frekvence, kā rezultātā tiek panākts ātrāks laiks, kas var atbilst vai pārsniedz atompulksteņa precizitāti. Taču atompulksteņa lielākā potenciālā priekšrocība ir tā precizitātes un stabilitātes apvienojumā. Daļiņas kodolā ir mazāk jutīgas nekā elektroni pret traucējumiem, piemēram, elektromagnētiskajiem laukiem, kas nozīmē, ka atompulkstenis varētu būt pārnēsājams un izturīgs. "Tas kļūst desensibilizēts tādā veidā, ko ir grūti iedomāties, ņemot vērā to, kā šodien darbojas mūsu pulksteņi," saka Anne Kērtisa, eksperimentālā fiziķe no Tedingtonas, Apvienotās Karalistes, Nacionālās fizikālās laboratorijas.

Taču fiziķiem ir bijis 50 gadu šķērslis, lai atrastu piemērotu atoma kodolu, ko izmantot, un noteikt frekvenci, kas nepieciešama, lai to pārietu uz citu enerģijas stāvokli. Septiņdesmitajos gados netieši pierādījumi liecināja, ka torija-229 kodolenerģijai bija dīvaini zemas enerģijas pāreja, ko galu galā varētu izraisīt galda plazma. Bet tikai pagājušajā gadā zinātnieki atklāja nepieciešamo frekvenci - un šogad viņi veiksmīgi uzsāka pāreju ar lāzeru.

JILA komanda meklēja pārejas frekvenci triljonos torija-229 atomu, kas iegulti kristālā, izmantojot sistēmu, kas pazīstama kā frekvences ķemme. Ķemme izveido virkni lāzera frekvences līniju, kas ir regulāri un vienmērīgi izvietotas. Tas ļauj pētniekiem vienlaikus izgaismot kristālu daudzās precīzās frekvencēs, lai meklētu trāpījumu, nevis darbietilpīgi skenētu iespējamo iespēju spektru ar vienas frekvences lāzeru.

Ķemmes iestatījumi - tostarp atstarpju platums starp līnijām jeb "zobiem" - tika kalibrēti, izmantojot atompulksteni, un tos varēja regulēt. Komanda veica vairākus eksperimentālus braucienus, un, novērojot raksturīgo mirdzumu, kas rodas, kad torija-229 atomi sabrūk no ierosinātā stāvokļa, viņi izmantoja iestatījumus, lai aprēķinātu frekvenci, kas kontrolē signālu.

Pirmo reizi novērojot pāreju, "jutos pārsteidzoši", saka pētījuma līdzautors Čuankuns Džans, JILA fiziķis. "Mēs visu nakti veicām testus, lai pārbaudītu, vai tas tiešām ir signāls, ko meklējām," viņš saka.

Pamatspēki

Frekvences ķemmes īpatnība ir tāda, ka tā ļauj fiziķiem izmērīt pulksteņa frekvences pulksteni - šeit torija-229 kodolu - kā attiecību pret citu zināmu frekvenci, šajā gadījumā atompulksteni. Tas ne tikai ļāva komandai ar augstu precizitāti noteikt absolūtās frekvences vērtību, bet arī pavēra dažas interesantas iespējas fizikā, saka Džans.

Ja viena pulksteņa pulksteņa ātrums laika gaitā mainās attiecībā pret citu, tas varētu liecināt, ka faktori, kas nosaka enerģijas līmeni, piemēram, spēcīgais kodolspēks vai elektromagnētiskais spēks, dreifē vai svārstās, saka Fukss. Tiek uzskatīts, ka dažām tumšās matērijas "gaišajām" formām, kurām ir ārkārtīgi maza masa, ir šāda ietekme, viņa saka.

Jebkuras spēku izmaiņas tiktu pastiprinātas kodola iekšējās migrācijas biežumā, tāpēc atompulksteņi varētu būt aptuveni 100 miljonus reižu jutīgāki pret šāda veida tumšās vielas ietekmi nekā atompulksteņi. Jaunākais rezultāts, kas precīzi nosaka frekvenci ar precizitāti līdz 13 zīmēm aiz komata, jau ir pietiekami precīzs, lai sašaurinātu iespējamos enerģijas diapazonus, kuros varētu pastāvēt gaišā tumšā viela, saka Fukss. Kodolfizika varētu gūt labumu arī no precīzākas pārejas frekvences, kas varētu palīdzēt zinātniekiem atšķirt dažādas iespējamās torija-229 kodola formas.

Bet ir jāpaveic vairāk darba, pirms atompulksteņi var pārspēt atompulksteņus, kas pašlaik ir precīzi līdz 19 zīmēm aiz komata. Pētnieki pētīs, vai ir jēga turēt toriju-229 iestrādātu kristālā — cieta viela ir parocīga valkājama pulksteņa izgatavošanai — vai arī atsevišķu atomu ierobežošana dos labākus rezultātus.

Jāoptimizē arī lāzera sistēma. "Par laimi, šai apbrīnojamajai tehnikai ir liels potenciāls," saka Olga Kočarovskaja, Teksasas A&M universitātes koledžas stacijā fiziķe. Tas ir "avota prototips, kas tiks izmantots turpmākajā pulkstenī", viņa piebilst.