Fizycy zademonstrowali wszystkie elementy zegara atomowego – urządzenia mierzące czas poprzez pomiar drobnych przesunięć energii w jądrze atomowym. Takie zegary mogą przyczynić się do znacznej poprawy precyzyjnych pomiarów, a także nowych spostrzeżeń w fizyce podstawowej.

Naukowcy zmierzyli częstotliwość światła, które powoduje, że jądra rzadkiego izotopu toru-229 przechodzą w wyższy stan energetyczny – „zegar” zegara atomowego – z dokładnością 100 000 razy większą niż poprzednia najlepsza wartość. Osiągnęli to poprzez synchronizację migracji energii z zegarem najdokładniejszego zegara na świecie. Pracami kierował Jun Ye w JILA, instytucie badawczym w Boulder w Kolorado, a opublikowano je 5 września w czasopiśmie Nature. „To naprawdę jeden z najbardziej ekscytujących artykułów, jakie ostatnio pamiętam” – mówi Marianna Safronova, fizyk jądrowy z Uniwersytetu Delaware w Newark.

Przełom nastąpił po zbadaniu jąder toru-229 za pomocą urządzenia laserowego zwanego grzebieniem częstotliwości. Z technicznego punktu widzenia zestaw nie jest zegarkiem, ponieważ nie był jeszcze używany do pomiaru czasu. Ale tak imponujące wyniki umożliwiły opracowanie zegara atomowego, mówi Safronova.

Pomiary zegara już okazują się przydatne w fizyce cząstek elementarnych, mówi Elina Fuchs, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze w Niemczech. A ponieważ częstotliwość zegara zależy od podstawowych sił utrzymujących jądro razem, prototyp może określić, czy rodzaj ciemnej materii – niewidzialnej substancji, która stanowi około 85% materii we wszechświecie – wpływa na te siły w niewielkiej skali. „To nowe, bezpośrednie okno na energię jądrową” – mówi Fuchs.

Najlepsze zegarki

Najlepsze zegary na świecie, zwane zegarami atomowymi, mierzą czas za pomocą laserów – częstotliwość światła jest precyzyjnie dostrojona, aby uzyskać energię potrzebną do przemieszczania elektronów pomiędzy dwoma poziomami energii w atomie. Najdokładniejszy zegar atomowy zyskuje lub traci tylko jedną sekundę na 40 miliardów lat. Zegar atomowy działałby nieco inaczej: zegar odpowiadałby przejściom energii protonów i neutronów, a nie elektronów, gdy wchodzą one w stan wzbudzony.

To przesunięcie energii wymaga nieco wyższej częstotliwości ultrafioletowej, co skutkuje szybszym taktowaniem, które może dorównać lub przekroczyć dokładność zegara atomowego. Jednak największą potencjalną zaletą zegara atomowego jest połączenie precyzji i stabilności. Cząstki w jądrze są mniej wrażliwe niż elektrony na zakłócenia, takie jak pola elektromagnetyczne, co oznacza, że ​​zegar atomowy mógłby być przenośny i solidny. „Staje się znieczulony w sposób, który trudno sobie wyobrazić w kontekście dzisiejszego działania naszych zegarów” – mówi Anne Curtis, fizyk eksperymentalny w National Physical Laboratory w Teddington w Wielkiej Brytanii.

Jednak znalezienie odpowiedniego rodzaju jądra atomowego i określenie częstotliwości potrzebnej do przejścia go do innego stanu energetycznego było dla fizyków mozolną pracą przez 50 lat. W latach siedemdziesiątych XX wieku pośrednie dowody sugerowały, że tor-229 przeszedł dziwnie niskoenergetyczną przemianę jądrową, która mogła ostatecznie zostać wywołana przez plazmę stołową. Jednak dopiero w zeszłym roku naukowcy odkryli potrzebną częstotliwość, a w tym roku pomyślnie zainicjowali przejście za pomocą lasera.

Zespół JILA szukał częstotliwości przejścia w bilionach atomów toru-229 osadzonych w krysztale, korzystając z systemu znanego jako grzebień częstotliwości. Grzebień tworzy serię linii częstotliwości lasera, które są regularnie i równomiernie rozmieszczone. Umożliwia to badaczom oświetlanie kryształu wieloma precyzyjnymi częstotliwościami jednocześnie w celu poszukiwania trafienia, zamiast żmudnego skanowania spektrum możliwych opcji za pomocą lasera o pojedynczej częstotliwości.

Ustawienia grzebienia – w tym szerokość przerw między liniami, czyli „zębów” – zostały skalibrowane za pomocą zegara atomowego i można je było regulować. Zespół przeprowadził kilka serii eksperymentalnych i obserwując charakterystyczny blask pojawiający się, gdy atomy toru-229 rozpadają się ze stanu wzbudzonego, wykorzystał te ustawienia do obliczenia częstotliwości sterującej sygnałem.

Obserwowanie przejścia po raz pierwszy „było niesamowite” – mówi współautor badania Chuankun Zhang, fizyk z JILA. „Przeprowadziliśmy testy przez całą noc, aby sprawdzić, czy rzeczywiście jest to sygnał, którego szukaliśmy” – mówi.

Podstawowe siły

Cechą szczególną grzebienia częstotliwości jest to, że pozwala on fizykom zmierzyć częstotliwość zegara – w tym przypadku rdzenia torowego-229 – jako stosunek do innej znanej częstotliwości, w tym przypadku zegara atomowego. Umożliwiło to zespołowi nie tylko określenie wartości częstotliwości bezwzględnej z dużą precyzją, ale także otworzyło pewne interesujące możliwości w fizyce, mówi Zhang.

Jeśli prędkość jednego zegara zmienia się w czasie względem drugiego, może to wskazywać, że czynniki determinujące poziomy energii – takie jak silne oddziaływanie jądrowe lub elektromagnetyczne – dryfują lub podlegają wahaniom, mówi Fuchs. Uważa się, że taki efekt mają pewne „lekkie” formy ciemnej materii, które mają niezwykle małą masę – mówi.

Jakakolwiek zmiana sił zostanie wzmocniona w częstotliwości migracji rdzenia do wewnątrz, zatem zegary atomowe mogłyby być potencjalnie około 100 milionów razy bardziej wrażliwe na działanie tego typu ciemnej materii niż zegary atomowe. Najnowszy wynik, który określa częstotliwość z dokładnością do 13 miejsc po przecinku, jest już wystarczająco precyzyjny, aby zawęzić możliwe zakresy energii, w których może istnieć jasna ciemna materia, mówi Fuchs. Fizyka jądrowa również mogłaby zyskać na dokładniejszej częstotliwości przejść, co mogłoby pomóc naukowcom w rozróżnieniu różnych możliwych form jądra toru-229.

Jednak zanim zegary atomowe będą mogły przewyższyć zegary atomowe, które obecnie osiągają dokładność do 19 miejsc po przecinku, należy wykonać jeszcze więcej pracy. Naukowcy zbadają, czy sensowne jest trzymanie toru-229 osadzonego w krysztale – substancja stała jest przydatna do wykonania zegarka do noszenia – czy też zamknięcie poszczególnych atomów dałoby lepsze wyniki.

System laserowy również wymaga optymalizacji. „Na szczęście ta niesamowita technika ma ogromny potencjał” – mówi Olga Kocharovskaya, fizyk z Texas A&M University w College Station. To „prototyp źródła do wykorzystania w przyszłym zegarku” – dodaje.