Fysiker har visat alla komponenter i en atomklocka - enheter som mäter tid genom att mäta små energiförskjutningar inom en atomkärna. Sådana klockor kan leda till betydande förbättringar av precisionsmätningar såväl som nya insikter i fundamental fysik.

Forskarna mätte frekvensen av ljuset som gör att kärnorna i den sällsynta isotopen torium-229 övergår till ett högre energitillstånd - "klockan" för atomklockan - med en noggrannhet som är 100 000 gånger högre än det tidigare bästa värdet. De uppnådde detta genom att synkronisera energimigrationen med klockan på världens mest exakta klocka. Arbetet leddes av Jun Ye vid JILA, ett forskningsinstitut i Boulder, Colorado, och publicerades den 5 september i Nature. "Det är verkligen en av de mest spännande tidningarna i senare tid", säger Marianna Safronova, en kärnfysiker vid University of Delaware i Newark.

Genombrottet kom genom att undersöka torium-229 kärnor med en laseranordning som kallas en frekvenskam. Uppställningen är tekniskt sett inte en klocka då den ännu inte har använts för att mäta tid. Men sådana imponerande resultat gör utvecklingen av en atomklocka möjlig, säger Safronova.

Mätningar av klockan har redan visat sig användbara inom partikelfysik, säger Elina Fuchs, teoretisk fysiker vid Leibniz University Hannover, Tyskland. Och eftersom klockans frekvens bestäms av de fundamentala krafterna som håller ihop kärnan, kan prototypen avgöra om en typ av mörk materia – ett osynligt ämne som utgör cirka 85 % av materien i universum – påverkar dessa krafter i en liten skala. "Detta är ett nytt, direkt fönster till kärnkraft", säger Fuchs.

Ultimata klockor

Världens bästa klockor, kallade atomklockor, mäter tiden med hjälp av lasrar – ljusets frekvens är exakt avstämd för att uppnå den energi som behövs för att flytta elektroner mellan två energinivåer inom en atom. Den mest exakta atomklockan vinner eller tappar bara en sekund var 40 miljarder år. En atomklocka skulle fungera något annorlunda: klockan skulle motsvara energiövergångarna för protoner och neutroner, snarare än elektroner, när de går in i ett exciterat tillstånd.

Denna energiförskjutning kräver en något högre ultraviolett frekvens, vilket resulterar i snabbare timing som kan matcha eller överträffa atomklockans noggrannhet. Men den största potentiella fördelen med atomklockan ligger i dess kombination av precision och stabilitet. Partiklar i kärnan är mindre känsliga än elektroner för störningar som elektromagnetiska fält - vilket betyder att en atomklocka kan vara bärbar och robust. "Det blir okänsligt på ett sätt som är svårt att föreställa sig när det gäller hur våra klockor fungerar idag", säger Anne Curtis, en experimentell fysiker vid National Physical Laboratory i Teddington, Storbritannien.

Men att hitta rätt typ av atomkärna att använda och bestämma frekvensen som behövs för att flytta den till ett annat energitillstånd har varit ett 50-årigt jobb för fysiker. På 1970-talet antydde indirekta bevis att torium-229 hade en märkligt lågenergikärnövergång - en som så småningom kan utlösas av bordsplasma. Men det var inte förrän förra året som forskarna upptäckte den frekvens som behövdes - och i år inledde de framgångsrikt övergången med en laser.

JILA-teamet sökte efter övergångsfrekvensen i biljoner torium-229-atomer inbäddade i kristallen med hjälp av ett system känt som en frekvenskam. Kammen skapar en serie laserfrekvenslinjer som är regelbundet och jämnt fördelade. Detta gör det möjligt för forskare att belysa kristallen vid många exakta frekvenser samtidigt för att söka efter en träff, snarare än att mödosamt skanna igenom spektrumet av möjliga alternativ med en enkelfrekvenslaser.

Kammens inställningar - inklusive bredden på gapen mellan linjerna, eller "tänderna" - kalibrerades med hjälp av atomklockan och kunde justeras. Teamet genomförde flera experimentella körningar, och när de observerade den karakteristiska glöden som uppstår när torium-229-atomer sönderfaller från deras exciterade tillstånd, använde de inställningarna för att beräkna frekvensen som styr signalen.

Att observera övergången för första gången "känndes fantastiskt", säger studiens medförfattare Chuankun Zhang, fysiker vid JILA. "Vi gjorde tester hela natten för att kontrollera om det här verkligen var signalen vi letade efter", säger han.

Grundkrafter

Det speciella med frekvenskammen är att den tillåter fysiker att mäta frekvensklockan på en klocka – här torium-229-kärnan – som ett förhållande till en annan känd frekvens, i det här fallet en atomklocka. Detta gjorde det inte bara möjligt för teamet att bestämma det absoluta frekvensvärdet med hög precision, utan öppnade också upp för några intressanta möjligheter inom fysiken, säger Zhang.

Om hastigheten på en klockas klocka ändras över tiden i förhållande till en annan kan det tyda på att faktorer som bestämmer energinivåer – som den starka kärnkraften eller elektromagnetisk kraft – driver eller fluktuerar, säger Fuchs. Vissa "ljusa" former av mörk materia, som har extremt låg massa, tros ha denna effekt, säger hon.

Varje förändring i krafter skulle förstärkas i frekvensen av kärnans inåtgående migration, så atomklockor kan potentiellt vara cirka 100 miljoner gånger känsligare för effekterna av denna typ av mörk materia än atomklockor. Det senaste resultatet - som preciserar frekvensen med en noggrannhet på 13 decimaler - är redan tillräckligt exakt för att begränsa de möjliga energiområdena där ljus mörk materia kan existera, säger Fuchs. Kärnfysiken skulle också kunna dra nytta av den mer exakta övergångsfrekvensen, som kan hjälpa forskare att skilja mellan olika möjliga former av torium-229-kärnan.

Men mer arbete måste göras innan atomur kan överträffa atomur - som för närvarande är exakta till 19 decimaler. Forskare kommer att undersöka om det är vettigt att hålla torium-229 inbäddat i en kristall - en solid är praktiskt för att göra en bärbar klocka - eller om att begränsa enskilda atomer skulle ge bättre resultat.

Lasersystemet behöver också optimeras. "Lyckligtvis har denna fantastiska teknik stor potential", säger Olga Kocharovskaya, fysiker vid Texas A&M University i College Station. Det är en "prototyp av källan som ska användas i framtidens klocka", tillägger hon.