Fysikere har demonstrert alle komponentene i en atomklokke - enheter som måler tid ved å måle ørsmå energiskift i en atomkjerne. Slike klokker kan føre til betydelige forbedringer i presisjonsmålinger samt ny innsikt i grunnleggende fysikk.

Forskerne målte frekvensen til lyset som får kjernene til den sjeldne isotopen thorium-229 til å gå over til en høyere energitilstand – «klokken» til atomuret – med en nøyaktighet som er 100 000 ganger høyere enn den forrige beste verdien. Dette oppnådde de ved å synkronisere energimigrasjonen med klokken til verdens mest presise klokke. Arbeidet ble ledet av Jun Ye ved JILA, et forskningsinstitutt i Boulder, Colorado, og publisert 5. september i Nature. "Det er virkelig en av de mest spennende papirene i nyere tid," sier Marianna Safronova, en kjernefysiker ved University of Delaware i Newark.

Gjennombruddet kom ved å undersøke thorium-229-kjerner med en laserenhet kalt en frekvenskam. Oppsettet er teknisk sett ikke en klokke da det ennå ikke har blitt brukt til å måle tid. Men slike imponerende resultater gjør utviklingen av en atomklokke mulig, sier Safronova.

Målinger av klokken har allerede vist seg nyttige i partikkelfysikk, sier Elina Fuchs, en teoretisk fysiker ved Leibniz University Hannover, Tyskland. Og siden klokkens frekvens bestemmes av de grunnleggende kreftene som holder kjernen sammen, kan prototypen avgjøre om en type mørk materie – et usynlig stoff som utgjør omtrent 85 % av materien i universet – påvirker disse kreftene i en liten skala. "Dette er et nytt, direkte vindu til atomkraft," sier Fuchs.

Ultimative klokker

Verdens beste klokker, kalt atomklokker, måler tid ved hjelp av lasere – lysfrekvensen er nøyaktig innstilt for å oppnå energien som trengs for å flytte elektroner mellom to energinivåer i et atom. Den mest nøyaktige atomklokken øker eller taper bare ett sekund hvert 40. milliarder år. En atomklokke ville fungere litt annerledes: klokken ville tilsvare energiovergangene til protoner og nøytroner, snarere enn elektroner, når de går inn i en eksitert tilstand.

Dette energiskiftet krever en litt høyere ultrafiolett frekvens, noe som resulterer i raskere timing som kan matche eller overgå nøyaktigheten til atomklokken. Men den største potensielle fordelen med atomklokken ligger i dens kombinasjon av presisjon og stabilitet. Partikler i kjernen er mindre følsomme enn elektroner for forstyrrelser som elektromagnetiske felt - noe som betyr at en atomklokke kan være bærbar og robust. "Det blir desensibilisert på en måte som er vanskelig å forestille seg med tanke på hvordan klokkene våre fungerer i dag," sier Anne Curtis, en eksperimentell fysiker ved National Physical Laboratory i Teddington, Storbritannia.

Men å finne den riktige typen atomkjerner å bruke og bestemme frekvensen som trengs for å skifte den til en annen energitilstand, har vært et 50-årig strev for fysikere. På 1970-tallet antydet indirekte bevis at thorium-229 hadde en merkelig lavenergi nukleær overgang - en som til slutt kan bli utløst av bordplasma. Men det var ikke før i fjor at forskerne oppdaget den nødvendige frekvensen - og i år satte de i gang overgangen med laser.

JILA-teamet søkte etter overgangsfrekvensen i billioner av thorium-229-atomer innebygd i krystallen ved å bruke et system kjent som en frekvenskam. Kammen lager en serie laserfrekvenslinjer som er jevnt og jevnt fordelt. Dette gjør det mulig for forskere å belyse krystallen ved mange presise frekvenser samtidig for å søke etter et treff, i stedet for møysommelig å skanne gjennom spekteret av mulige alternativer med en enkeltfrekvenslaser.

Kammens innstillinger - inkludert bredden på gapene mellom linjene, eller "tennene" - ble kalibrert ved hjelp av atomuret og kunne justeres. Teamet gjennomførte flere eksperimentelle løp, og da de observerte den karakteristiske gløden som oppstår når thorium-229-atomer forfaller fra sin eksiterte tilstand, brukte de innstillingene til å beregne frekvensen som styrer signalet.

Å observere overgangen for første gang "føltes fantastisk," sier studiemedforfatter Chuankun Zhang, fysiker ved JILA. "Vi gjorde tester hele natten for å sjekke om dette virkelig var signalet vi lette etter," sier han.

Grunnkrefter

Det som er spesielt med frekvenskammen er at den lar fysikere måle frekvensklokken til en klokke – her thorium-229-kjernen – i forhold til en annen kjent frekvens, i dette tilfellet en atomklokke. Dette tillot ikke bare teamet å bestemme den absolutte frekvensverdien med høy presisjon, men åpnet også for noen interessante muligheter innen fysikk, sier Zhang.

Hvis hastigheten til en klokkes klokke endrer seg over tid i forhold til en annen, kan det tyde på at faktorer som bestemmer energinivåene – som den sterke kjernekraften eller elektromagnetisk kraft – driver eller svinger, sier Fuchs. Visse "lette" former for mørk materie, som har ekstremt lav masse, antas å ha denne effekten, sier hun.

Enhver endring i krefter vil bli forsterket i frekvensen av kjerneinnvandring, så atomklokker kan potensielt være omtrent 100 millioner ganger mer følsomme for effektene av denne typen mørk materie enn atomklokker. Det siste resultatet - som fastslår frekvensen med en nøyaktighet på 13 desimaler - er allerede nøyaktig nok til å begrense de mulige energiområdene der lys mørk materie kan eksistere, sier Fuchs. Kjernefysikk kan også dra nytte av den mer presise overgangsfrekvensen, som kan hjelpe forskere med å skille mellom ulike mulige former for thorium-229-kjernen.

Men mer arbeid må gjøres før atomklokkene kan overgå atomklokkene - som for tiden er nøyaktige til 19 desimaler. Forskere vil undersøke om det er fornuftig å holde thorium-229 innebygd i en krystall - et solid er nyttig for å lage en bærbar klokke - eller om det å begrense individuelle atomer vil gi bedre resultater.

Lasersystemet må også optimaliseres. "Heldigvis har denne fantastiske teknikken et stort potensial," sier Olga Kocharovskaya, fysiker ved Texas A&M University i College Station. Det er en "prototype av kilden som skal brukes i fremtidens klokke," legger hun til.