Fizicienii au demonstrat toate componentele unui ceas atomic - dispozitive care măsoară timpul prin măsurarea micilor schimbări de energie în interiorul unui nucleu atomic. Astfel de ceasuri ar putea duce la îmbunătățiri semnificative ale măsurătorilor de precizie, precum și la noi perspective în fizica fundamentală.

Cercetătorii au măsurat frecvența luminii care face ca nucleele izotopului rar toriu-229 să treacă la o stare de energie superioară – „ceasul” ceasului atomic – cu o precizie de 100.000 de ori mai mare decât cea mai bună valoare anterioară. Ei au realizat acest lucru prin sincronizarea migrației energiei cu ceasul celui mai precis ceas din lume. Lucrarea a fost condusă de Jun Ye la JILA, un institut de cercetare din Boulder, Colorado, și a fost publicată pe 5 septembrie în Nature. „Este într-adevăr una dintre cele mai interesante lucrări din memoria recentă”, spune Marianna Safronova, fizician nuclear la Universitatea din Delaware din Newark.

Descoperirea a venit prin examinarea nucleelor ​​de toriu-229 cu un dispozitiv laser numit pieptene de frecvență. Configurația nu este din punct de vedere tehnic un ceas, deoarece nu a fost încă folosit pentru a măsura timpul. Dar astfel de rezultate impresionante fac posibilă dezvoltarea unui ceas atomic, spune Safronova.

Măsurătorile ceasului se dovedesc deja utile în fizica particulelor, spune Elina Fuchs, fizician teoretician la Universitatea Leibniz din Hanovra, Germania. Și întrucât frecvența ceasului este determinată de forțele fundamentale care țin nucleul împreună, prototipul ar putea determina dacă un tip de materie întunecată - o substanță invizibilă care reprezintă aproximativ 85% din materia din univers - influențează aceste forțe la o scară mică. „Aceasta este o nouă fereastră directă asupra energiei nucleare”, spune Fuchs.

Ceasuri supreme

Cele mai bune ceasuri din lume, numite ceasuri atomice, măsoară timpul folosind lasere - frecvența luminii este reglată cu precizie pentru a obține energia necesară pentru a muta electronii între două niveluri de energie dintr-un atom. Cel mai precis ceas atomic câștigă sau pierde doar o secundă la fiecare 40 de miliarde de ani. Un ceas atomic ar funcționa ușor diferit: ceasul ar corespunde tranzițiilor energetice ale protonilor și neutronilor, mai degrabă decât electronilor, pe măsură ce aceștia intră într-o stare excitată.

Această schimbare de energie necesită o frecvență ultravioletă puțin mai mare, ceea ce duce la o sincronizare mai rapidă care ar putea egala sau depăși acuratețea ceasului atomic. Dar cel mai mare avantaj potențial al ceasului atomic constă în combinația sa de precizie și stabilitate. Particulele din nucleu sunt mai puțin sensibile decât electronii la perturbații precum câmpurile electromagnetice - ceea ce înseamnă că un ceas atomic ar putea fi portabil și robust. „Devine desensibilizat într-un mod greu de imaginat în ceea ce privește modul în care ceasurile noastre funcționează astăzi”, spune Anne Curtis, fizician experimental la Laboratorul Național de Fizică din Teddington, Regatul Unit.

Dar găsirea tipului potrivit de nucleu atomic de utilizat și determinarea frecvenței necesare pentru a-l trece la o stare de energie diferită a fost o încercare de 50 de ani pentru fizicieni. În anii 1970, dovezile indirecte au sugerat că toriu-229 a avut o tranziție nucleară ciudat de joasă energie - una care ar putea fi declanșată în cele din urmă de plasma de masă. Dar abia anul trecut oamenii de știință au descoperit frecvența necesară – iar anul acesta au inițiat cu succes tranziția cu un laser.

Echipa JILA a căutat frecvența de tranziție în trilioane de atomi de toriu-229 încorporați în cristal, folosind un sistem cunoscut sub numele de pieptene de frecvență. Pieptene creează o serie de linii de frecvență laser care sunt regulate și uniform distanțate. Acest lucru le permite cercetătorilor să ilumineze cristalul la multe frecvențe precise simultan pentru a căuta o lovitură, mai degrabă decât să scaneze laborios prin spectrul de opțiuni posibile cu un laser cu o singură frecvență.

Setările pieptenelor - inclusiv lățimea golurilor dintre linii, sau „dinți” - au fost calibrate folosind ceasul atomic și puteau fi ajustate. Echipa a efectuat mai multe curse experimentale și, în timp ce au observat strălucirea caracteristică care apare atunci când atomii de toriu-229 se descompun din starea lor excitată, au folosit setările pentru a calcula frecvența care controlează semnalul.

Observarea tranziției pentru prima dată „s-a simțit uimitor”, spune coautorul studiului Chuankun Zhang, fizician la JILA. „Am făcut teste toată noaptea pentru a verifica dacă acesta a fost într-adevăr semnalul pe care îl căutăm”, spune el.

Forțele de bază

Ceea ce este special la pieptene de frecvență este că le permite fizicienilor să măsoare ceasul de frecvență al unui ceas - aici miezul de toriu-229 - ca raport cu o altă frecvență cunoscută, în acest caz un ceas atomic. Acest lucru nu numai că a permis echipei să determine valoarea absolută a frecvenței cu mare precizie, dar a deschis și câteva posibilități interesante în fizică, spune Zhang.

Dacă viteza ceasului unui ceas se schimbă în timp în raport cu altul, ar putea indica faptul că factorii care determină nivelurile de energie - cum ar fi forța nucleară sau electromagnetică puternică - sunt în derivă sau fluctuează, spune Fuchs. Se crede că anumite forme „luminoase” de materie întunecată, care au o masă extrem de scăzută, au acest efect, spune ea.

Orice modificare a forțelor ar fi amplificată în frecvența migrației nucleului spre interior, astfel încât ceasurile atomice ar putea fi de aproximativ 100 de milioane de ori mai sensibile la efectele acestui tip de materie întunecată decât ceasurile atomice. Cel mai recent rezultat - care indică frecvența cu o precizie de 13 zecimale - este deja suficient de precis pentru a restrânge posibilele intervale de energie în care ar putea exista materia întunecată ușoară, spune Fuchs. Fizica nucleară ar putea beneficia, de asemenea, de frecvența de tranziție mai precisă, care ar putea ajuta oamenii de știință să facă distincția între diferitele forme posibile ale nucleului de toriu-229.

Dar mai multă muncă trebuie făcută înainte ca ceasurile atomice să poată depăși ceasurile atomice - care în prezent sunt precise cu 19 zecimale. Cercetătorii vor studia dacă are sens să păstrăm toriu-229 încorporat într-un cristal - un solid este la îndemână pentru a face un ceas care poate fi purtat - sau dacă limitarea atomilor individuali ar produce rezultate mai bune.

De asemenea, sistemul laser trebuie optimizat. „Din fericire, această tehnică uimitoare are un potențial mare”, spune Olga Kocharovskaya, fizician la Universitatea Texas A&M din College Station. Este un „prototip al sursei care va fi folosită în viitorul ceas”, adaugă ea.