Naukowcy osiągnęli przełom w budowie zegara zupełnie nowego typu. Po dziesięcioleciach badań zespół z Wiednia opracował pierwszy na świecie samostabilizujący się zegar jądrowy, urządzenie, które będzie mogło mierzyć czas z dużo większą precyzją niż najnowocześniejsze zegary atomowe.
To nie jest kolejny gadżet, który za kilka lat trafi na nasze nadgarstki. Stawką jest znacznie wyższa. Chodzi o zupełnie nowy sposób mierzenia czasu, który może pomóc naukowcom badać fundamentalne prawa fizyki. Wyniki badania opublikowano w prestiżowym magazynie Nature.
Dzisiejsze najdokładniejsze zegary atomowe wykorzystują zjawiska zachodzące wewnątrz atomów. Mierzą częstotliwość światła, która odpowiada określonemu przejściu energetycznemu elektronów. Ponieważ takie przejścia mają ściśle określone adekwatności, można wykorzystać je jako niezwykle regularny wzorzec upływu czasu.
Zegar jądrowy działa na podobnej zasadzie, ale zamiast elektronów wykorzystuje jądro atomowe. Jądro jest ponad 10 tys. razy mniejsze od całego atomu. Dzięki temu znacznie słabiej reaguje na wiele czynników zewnętrznych, które mogą zakłócać pomiary. Chodzi między innymi o wpływ pola elektrycznego i magnetycznego. Mniejsza podatność na takie zakłócenia oznacza możliwość stworzenia stabilniejszego wzorca częstotliwości.
Warto w tym miejscu napisać, co adekwatnie oznacza sformułowanie przejście energetyczne. Przejście energetyczne w atomie to zmiana stanu energetycznego elektronu (lub nukleonu w jądrze), gdy przeskakuje on z jednego poziomu energetycznego na inny.
Tor otworzył drogę do nowego rodzaju zegara
Kluczowym elementem całego przedsięwzięcia jest tor-229, czyli szczególna odmiana pierwiastka toru. Większość przejść energetycznych w jądrach atomowych wymaga tak dużej energii, iż nie da się ich wygodnie kontrolować dzięki typowych laserów. W przypadku toru-229 sytuacja jest wyjątkowa.
Dwa stany energetyczne jego jądra dzieli niezwykle mała różnica energii, dzięki czemu przejście między nimi można wzbudzić światłem laserowym. To rzadkie zjawisko sprawia, iż jądro toru może pełnić funkcję bardzo precyzyjnego wzorca, podobnie jak elektrony w zegarach atomowych.
Komora próżniowa zawierająca kryształ toru. Fot. Matthias Heisler, TU WienDroga do tego odkrycia była długa. W kwietniu 2024 r. zespoły kierowane przez prof. Thorstena Schumma z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu (TU Wien) oraz prof. Ekkeharda Peika z niemieckiego instytutu PTB w Brunszwiku eksperymentalnie zidentyfikowały poszukiwane przejście jądrowe. Naukowcy wykazali, iż można wzbudzać jądra toru dzięki wiązki lasera.
Jesienią 2024 r. badacze wykonali kolejny krok. Połączyli układ wzbudzania jąder toru z konwencjonalnym optycznym zegarem atomowym, potwierdzając, iż przejście jądrowe może służyć jako precyzyjny punkt odniesienia. Podstawowa zasada działania zegara jądrowego została zademonstrowana, ale pozostawał jeszcze jeden istotny problem. Jak utrzymać stabilność urządzenia bez pomocy drugiego zegara?
Laser może się rozregulować. Jądro toru pomaga go kontrolować
Sercem zegara jest laser, którego światło drga z określoną częstotliwością. Te drgania stanowią niezwykle regularny rytm, na podstawie którego można mierzyć czas. Problem w tym, iż częstotliwość lasera nie musi pozostawać idealnie stała.
Nawet niewielkie wahania temperatury mogą powodować jej przesunięcia. W codziennym życiu takie zmiany są praktycznie nieistotne, ale w precyzyjnych pomiarach mogą prowadzić do błędów. Dlatego laser musi być nieustannie kontrolowany i korygowany.
Właśnie tutaj pojawia się tor-229. Naukowcy umieścili atomy tego pierwiastka w specjalnie przygotowanym krysztale wyprodukowanym na TU Wien. Laser oświetla materiał, a znajdujące się w nim jądra reagują na światło tylko wtedy, gdy jego częstotliwość odpowiada adekwatnemu przejściu energetycznemu.
Jeżeli częstotliwość zaczyna odbiegać od optymalnej wartości, zmienia się ilość światła pochłanianego przez jądra. Układ może wykryć tę różnicę i automatycznie skorygować pracę lasera. W ten sposób jądra toru nie tylko dostarczają wzorca, ale także pomagają utrzymywać jego stabilność.
To właśnie mechanizm sprzężenia zwrotnego. System mierzy odchylenie, wykrywa problem i wprowadza poprawkę, zanim niestabilność lasera zacznie poważniej wpływać na pomiar czasu.
W tradycyjnym rozwiązaniu podobną funkcję pełni zewnętrzny zegar atomowy. W wiedeńskim prototypie rolę punktu odniesienia przejęły jądra atomowe. Dzięki temu urządzenie może stabilizować się samodzielnie, bez konieczności ciągłego korzystania z konwencjonalnego zegara atomowego.
Błąd jednej sekundy na 30 mln lat
Podczas testów trwających około doby badacze osiągnęli względną precyzję na poziomie około 10^-15. To wartość odpowiadająca w przybliżeniu jednej sekundzie błędu na 30 mln lat. To imponujący rezultat, szczególnie jak na pierwszy prototyp samostabilizującego się zegara jądrowego.
Trzeba w tym miejscu zaznaczyć, iż prototyp wciąż nie dorównuje najlepszym współczesnym optycznym zegarom atomowym. Prof. Schumm podkreśla jednak, iż osiągnięty rezultat jest znakomity jak na tak wczesny etap rozwoju technologii.
Można zapytać, czy zegar, który myli się o sekundę dopiero po 30 mln lat, jest w ogóle potrzebny. Przecież choćby współczesne zegarki i systemy elektroniczne są wystarczająco dokładne do codziennych zastosowań.
Problem w tym, iż precyzyjny pomiar czasu ma znaczenie nie tylko dla określania godziny. Jest podstawą działania wielu technologii, w tym nawigacji satelitarnej, synchronizacji sieci telekomunikacyjnych i zaawansowanych systemów pomiarowych.
Zegary jądrowe mogą mieć również znaczenie dla fizyki fundamentalnej. Naukowcy chcą sprawdzić, czy stałe fizyczne, które opisują podstawowe adekwatności przyrody, pozostają niezmienne. Wystarczająco czuły zegar mógłby pomóc wykrywać niezwykle małe zmiany w częstotliwościach przejść energetycznych, które w innych warunkach pozostałyby niezauważone.
Takie pomiary mogą w przyszłości dostarczyć nowych informacji o naturze materii, grawitacji i podstawowych prawach rządzących Wszechświatem.
Główna ilustracja wygenerowana przez AI.
