Fiziki so prikazali vse komponente atomske ure - naprave, ki merijo čas z merjenjem majhnih energijskih premikov znotraj atomskega jedra. Takšne ure bi lahko privedle do bistvenih izboljšav natančnih meritev in novih vpogledov v temeljno fiziko.

Raziskovalci so izmerili frekvenco svetlobe, ki povzroči, da jedra redkega izotopa torija-229 preidejo v višje energijsko stanje – »uro« atomske ure – s 100.000-krat večjo natančnostjo od prejšnje najboljše vrednosti. To so dosegli s sinhronizacijo migracije energije z uro najnatančnejše ure na svetu. Delo je vodil Jun Ye na JILA, raziskovalnem inštitutu v Boulderju v Koloradu, objavljeno pa je bilo 5. septembra v Nature. "To je res eden najbolj vznemirljivih člankov v zadnjem času," pravi Marianna Safronova, jedrska fizičarka na Univerzi Delaware v Newarku.

Do preboja je prišlo s preučevanjem jeder torija-229 z lasersko napravo, imenovano frekvenčni glavnik. Nastavitev tehnično ni ura, saj še ni bila uporabljena za merjenje časa. Toda tako impresivni rezultati omogočajo razvoj atomske ure, pravi Safronova.

Meritve ure so se že izkazale za uporabne v fiziki delcev, pravi Elina Fuchs, teoretična fizičarka na univerzi Leibniz v Hannovru v Nemčiji. In ker je frekvenca ure določena s temeljnimi silami, ki držijo jedro skupaj, bi lahko prototip ugotovil, ali vrsta temne snovi – nevidne snovi, ki predstavlja približno 85 % snovi v vesolju – vpliva na te sile v majhnem obsegu. "To je novo, neposredno okno v jedrsko energijo," pravi Fuchs.

Ultimativni uri

Najboljše ure na svetu, imenovane atomske ure, merijo čas z laserji - frekvenca svetlobe je natančno uglašena, da doseže energijo, potrebno za premikanje elektronov med dvema energijskima nivojema v atomu. Najbolj natančna atomska ura pridobi ali izgubi le eno sekundo vsakih 40 milijard let. Atomska ura bi delovala nekoliko drugače: ura bi ustrezala energijskim prehodom protonov in nevtronov, namesto elektronov, ko ti preidejo v vzbujeno stanje.

Ta energijski premik zahteva nekoliko višjo ultravijolično frekvenco, kar ima za posledico hitrejše merjenje časa, ki bi lahko ustrezalo ali preseglo natančnost atomske ure. Toda največja potencialna prednost atomske ure je v njeni kombinaciji natančnosti in stabilnosti. Delci v jedru so manj občutljivi kot elektroni na motnje, kot so elektromagnetna polja – kar pomeni, da bi bila atomska ura lahko prenosna in robustna. »Postane desenzibiliziran na način, ki si ga je težko predstavljati glede na to, kako danes delujejo naše ure,« pravi Anne Curtis, eksperimentalna fizičarka v Nacionalnem fizikalnem laboratoriju v Teddingtonu v Združenem kraljestvu.

Toda iskanje prave vrste atomskega jedra za uporabo in določanje frekvence, ki je potrebna za premik v drugo energijsko stanje, je bila 50-letna naloga fizikov. V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so posredni dokazi nakazovali, da ima torij-229 nenavadno nizkoenergijski jedrski prehod – takšen, ki bi ga lahko sčasoma sprožila namizna plazma. Toda šele lani so znanstveniki odkrili potrebno frekvenco – in letos so z laserjem uspešno sprožili prehod.

Ekipa JILA je iskala prehodno frekvenco v trilijonih atomov torija-229, vgrajenih v kristal, z uporabo sistema, znanega kot frekvenčni glavnik. Glavnik ustvari niz laserskih frekvenčnih linij, ki so pravilno in enakomerno razporejene. To omogoča raziskovalcem, da osvetlijo kristal na več natančnih frekvencah hkrati, da iščejo zadetek, namesto da bi z enofrekvenčnim laserjem mukotrpno skenirali spekter možnih možnosti.

Nastavitve glavnika - vključno s širino vrzeli med črtami ali "zobci" - so bile umerjene z atomsko uro in jih je bilo mogoče prilagoditi. Skupina je izvedla več poskusov in ko so opazovali značilen sij, ki se pojavi, ko atomi torija-229 razpadejo iz svojega vzbujenega stanja, so uporabili nastavitve za izračun frekvence, ki nadzoruje signal.

Ob prvem opazovanju prehoda se je »zdelo neverjetno«, pravi soavtor študije Chuankun Zhang, fizik pri JILA. "Vso noč smo opravljali teste, da bi preverili, ali je to res signal, ki smo ga iskali," pravi.

Osnovne sile

Kar je posebno pri frekvenčnem glavniku, je to, da fizikom omogoča merjenje frekvence ure - tukaj je jedro iz torija-229 - kot razmerje do druge znane frekvence, v tem primeru atomske ure. To ekipi ni le omogočilo, da z visoko natančnostjo določi absolutno frekvenčno vrednost, ampak je odprlo tudi nekaj zanimivih možnosti v fiziki, pravi Zhang.

Če se hitrost ene ure spreminja s časom glede na drugo, bi to lahko pomenilo, da dejavniki, ki določajo ravni energije - kot je močna jedrska ali elektromagnetna sila - se premikajo ali nihajo, pravi Fuchs. Ta učinek naj bi imele nekatere 'lahke' oblike temne snovi, ki imajo izjemno majhno maso, pravi.

Kakršna koli sprememba sil bi se povečala v frekvenci selitve jedra navznoter, tako da bi bile atomske ure lahko približno 100-milijonkrat bolj občutljive na učinke te vrste temne snovi kot atomske ure. Najnovejši rezultat - ki določa frekvenco na 13 decimalnih mest natančno - je že dovolj natančen, da zoži možna energijska območja, v katerih bi lahko obstajala svetla temna snov, pravi Fuchs. Jedrski fiziki bi lahko koristila tudi natančnejša prehodna frekvenca, ki bi znanstvenikom lahko pomagala razlikovati med različnimi možnimi oblikami jedra torija-229.

Toda preden bodo atomske ure lahko presegle atomske ure, ki so trenutno natančne na 19 decimalnih mest, je treba narediti še več. Raziskovalci bodo proučevali, ali je smiselno obdržati torij-229 vgrajen v kristal - trdna snov je priročna za izdelavo nosljive ure - ali pa bi omejitev posameznih atomov prinesla boljše rezultate.

Optimizirati je treba tudi laserski sistem. "Na srečo ima ta neverjetna tehnika velik potencial," pravi Olga Kocharovskaya, fizičarka na teksaški univerzi A&M v College Stationu. Je "prototip vira, ki bo uporabljen v prihodnji uri," dodaja.