Fyzici demonštrovali všetky súčasti atómových hodín - zariadenia, ktoré merajú čas meraním drobných energetických posunov v rámci atómového jadra. Takéto hodiny by mohli viesť k významným zlepšeniam v presných meraniach, ako aj k novým poznatkom v základnej fyzike.

Výskumníci zmerali frekvenciu svetla, ktoré spôsobuje prechod jadier vzácneho izotopu tória-229 do stavu s vyššou energiou – „hodiny“ atómových hodín – s presnosťou 100 000-krát vyššou ako predchádzajúca najlepšia hodnota. Dosiahli to synchronizáciou migrácie energie s hodinami najpresnejších hodín na svete. Prácu viedol Jun Ye vo výskumnom ústave JILA v Boulderi v Colorade a publikoval ju 5. septembra v Nature. „Je to skutočne jeden z najzaujímavejších článkov v nedávnej pamäti,“ hovorí Marianna Safronová, jadrová fyzička na University of Delaware v Newarku.

Prelom nastal pri skúmaní jadier tória-229 laserovým zariadením nazývaným frekvenčný hrebeň. Nastavenie nie je technicky hodinky, pretože ešte nebolo použité na meranie času. Ale také pôsobivé výsledky umožňujú vývoj atómových hodín, hovorí Safronova.

Merania hodín sa už ukázali ako užitočné v časticovej fyzike, hovorí Elina Fuchs, teoretická fyzička na Leibniz University Hannover, Nemecko. A keďže frekvencia hodín je určená základnými silami, ktoré držia jadro pohromade, prototyp mohol určiť, či typ tmavej hmoty - neviditeľná látka, ktorá tvorí asi 85% hmoty vo vesmíre - ovplyvňuje tieto sily v malom meradle. „Toto je nové, priame okno do jadrovej energie,“ hovorí Fuchs.

Špičkové hodinky

Najlepšie svetové hodiny, nazývané atómové hodiny, merajú čas pomocou laserov – frekvencia svetla je presne vyladená tak, aby sa dosiahla energia potrebná na pohyb elektrónov medzi dvoma energetickými hladinami v rámci atómu. Najpresnejšie atómové hodiny získavajú alebo strácajú iba jednu sekundu každých 40 miliárd rokov. Atómové hodiny by fungovali trochu inak: hodiny by zodpovedali energetickým prechodom protónov a neutrónov, a nie elektrónov, keď vstupujú do excitovaného stavu.

Tento energetický posun vyžaduje o niečo vyššiu ultrafialovú frekvenciu, čo vedie k rýchlejšiemu načasovaniu, ktoré by mohlo zodpovedať alebo prekročiť presnosť atómových hodín. Ale najväčšia potenciálna výhoda atómových hodín spočíva v ich kombinácii presnosti a stability. Častice v jadre sú menej citlivé ako elektróny na poruchy, ako sú elektromagnetické polia - čo znamená, že atómové hodiny by mohli byť prenosné a robustné. „Stane sa to znecitlivením spôsobom, ktorý je ťažké si predstaviť z hľadiska toho, ako dnes fungujú naše hodiny,“ hovorí Anne Curtis, experimentálna fyzička z National Physical Laboratory v Teddingtone, Spojené kráľovstvo.

Ale nájsť správny typ atómového jadra na použitie a určiť frekvenciu potrebnú na jeho posunutie do iného energetického stavu bolo pre fyzikov 50-ročným problémom. V sedemdesiatych rokoch nepriame dôkazy naznačovali, že tórium-229 malo podivne nízkoenergetický jadrový prechod - taký, ktorý by mohol byť nakoniec spustený stolnou plazmou. Potrebnú frekvenciu však vedci objavili až minulý rok – a tento rok úspešne iniciovali prechod laserom.

Tím JILA hľadal prechodovú frekvenciu v biliónoch atómov tória-229 zabudovaných do kryštálu pomocou systému známeho ako frekvenčný hrebeň. Hrebeň vytvára sériu laserových frekvenčných čiar, ktoré sú pravidelne a rovnomerne rozmiestnené. To umožňuje výskumníkom osvetliť kryštál na mnohých presných frekvenciách naraz, aby hľadali zásah, namiesto pracného skenovania cez spektrum možných možností pomocou jednofrekvenčného lasera.

Nastavenia hrebeňa - vrátane šírky medzier medzi čiarami alebo "zubami" - boli kalibrované pomocou atómových hodín a bolo možné ich upraviť. Tím uskutočnil niekoľko experimentálnych skúšok a keď pozoroval charakteristickú žiaru, ktorá nastáva, keď sa atómy tória-229 rozpadnú z ich excitovaného stavu, použili nastavenia na výpočet frekvencie, ktorá riadi signál.

Prvýkrát pozorovanie prechodu „bolo úžasné,“ hovorí spoluautor štúdie Chuankun Zhang, fyzik z JILA. "Celú noc sme robili testy, aby sme skontrolovali, či je to skutočne signál, ktorý sme hľadali," hovorí.

Základné sily

Na frekvenčnom hrebeni je zvláštne to, že umožňuje fyzikom merať frekvenčné hodiny hodín – tu jadro tória-229 – ako pomer k inej známej frekvencii, v tomto prípade atómových hodín. To nielenže umožnilo tímu určiť absolútnu hodnotu frekvencie s vysokou presnosťou, ale tiež otvorilo niekoľko zaujímavých možností vo fyzike, hovorí Zhang.

Ak sa rýchlosť jedných hodín mení v priebehu času v porovnaní s inými, mohlo by to naznačovať, že faktory, ktoré určujú energetické úrovne - ako je silná jadrová alebo elektromagnetická sila - sa posúvajú alebo kolíšu, hovorí Fuchs. Predpokladá sa, že určité „svetlé“ formy tmavej hmoty, ktoré majú extrémne nízku hmotnosť, majú tento účinok, hovorí.

Akákoľvek zmena síl by bola zosilnená vo frekvencii migrácie jadra dovnútra, takže atómové hodiny by mohli byť potenciálne asi 100 miliónov krát citlivejšie na účinky tohto typu tmavej hmoty ako atómové hodiny. Najnovší výsledok - ktorý určuje frekvenciu s presnosťou 13 desatinných miest - je už dostatočne presný na to, aby zúžil možné energetické rozsahy, v ktorých by mohla existovať svetlá tmavá hmota, hovorí Fuchs. Jadrová fyzika by tiež mohla ťažiť z presnejšej frekvencie prechodu, ktorá by vedcom mohla pomôcť rozlíšiť medzi rôznymi možnými formami jadra tória-229.

Je však potrebné vykonať viac práce, kým atómové hodiny dokážu prekonať atómové hodiny – ktoré sú v súčasnosti presné na 19 desatinných miest. Výskumníci budú študovať, či má zmysel ponechať tórium-229 vložené do kryštálu – pevná látka je užitočná na výrobu nositeľných hodiniek – alebo či by lepšie výsledky prinieslo obmedzenie jednotlivých atómov.

Optimalizovať treba aj laserový systém. „Našťastie má táto úžasná technika veľký potenciál,“ hovorí Olga Kocharovskaya, fyzička z Texaskej univerzity A&M v College Station. Je to „prototyp zdroja, ktorý sa má použiť v budúcich hodinkách,“ dodáva.