Pierwsze tykające zegary jądrowe już działają. Jak liczą czas inaczej niż zegary atomowe?

Po ponad dwóch dekadach prób fizycy wreszcie potrafią wyciągnąć „tyknięcie” z samego jądra atomu. Dwa zespoły – z Europy i z Chin – zaprezentowały pierwsze działające zegary jądrowe.

Czym różni się zegar jądrowy od atomowego?

→ Czytaj też: Fizycy słuchają muzyki wszechświata. Co usłyszą?

Każdy zegar potrzebuje stabilnego drgania, jak wahadło. W najlepszych zegarach atomowych tym wahadłem jest oscylacja światła pochłanianego, gdy elektrony przeskakują między poziomami energetycznymi.

Zegar jądrowy działa inaczej. Zamiast poruszać elektronami, podnosi do wyższego stanu energetycznego protony i neutrony w jądrze atomu toru-229. Większość pierwiastków wymaga do takiej przebudowy ogromnej energii, ale tor jest wyjątkowy: jego poziomy energetyczne leżą tak blisko siebie, że wystarczy delikatne pchnięcie ultrafioletowym laserem.

Oba zegary, opisane w pracach opublikowanych na serwerze preprintów arXiv 3 i 7 czerwca, pokazały, że pomysł z fazy „potencjału” przeszedł do fazy działającego instrumentu pomiarowego.

Jak udało się ujarzmić tor-229?

→ Czytaj też: Naukowcy słuchają kosmicznej muzyki. Czy odkryją nową fizykę?

Fizycy podejrzewali szczególne właściwości toru od dekad, ale dopiero w 2024 roku zdołali wywołać przejście jądrowe w milimetrowym krysztale fluorku wapnia z bilionami atomów toru-229. Później w tym samym roku inny zespół ustalił dokładną częstotliwość, przy której to zachodzi.

Brakowało jednego: sposobu na zsynchronizowanie częstotliwości lasera z naturalnym rytmem jądra, tak by tykanie nie dryfowało. Oba zespoły osiągnęły to, śledząc, ile światła pochłaniają atomy toru. Gdy laser trafia w odpowiedni zakres, sygnał słabnie. „Jeśli częstotliwość zaczyna dryfować, sygnał znów rośnie i można od razu to skorygować” – tłumaczy Thorsten Schumm z Politechniki Wiedeńskiej.

Zespoły różniły się metodą. Grupa z Chin, kierowana przez Shiqiana Dinga z Uniwersytetu Tsinghua, użyła znacznie mocniejszego lasera, lecz kryształu o niższym stężeniu toru. Mimo to sygnały obu zegarów były porównywalne.

Na ile są dokładne?

Oba zegary tykały niezawodnie, dryfując w ciągu doby zaledwie o równowartość sekundy na trzy miliony lat. To wciąż mniej niż stabilność najlepszych optycznych zegarów atomowych, które tracą sekundę raz na 40 miliardów lat.

Przewaga zegarów jądrowych leży gdzie indziej. Jądro jest trudne do zaburzenia i chronione w krysztale, więc takie urządzenia są odporniejsze i przenośne – mogą działać bez ekstremalnego chłodzenia. Według Dinga otwiera to „możliwą drogę do kompaktowych i odpornych zegarów optycznych” w nawigacji i komunikacji. Schumm zaznacza, że kryształowe zegary jądrowe są już rozwijane komercyjnie.

Co dalej? Nowe okno na fizykę

Już teraz zegary jądrowe dają świeży sposób badania fundamentalnych sił. Teoretycy przewidują, że niektóre formy ciemnej materii zmieniałyby siłę oddziaływań wiążących jądro, co dałoby mierzalną zmianę częstotliwości przejścia.

Działający zegar staje się ciągle pracującym czujnikiem, który pozwala na czystsze i szybsze badania niż dotychczas. Jak relacjonuje Scientific American, Gilad Perez z Instytutu Weizmanna ocenia, że jesteśmy świadkami narodzin nowej dziedziny.

„To niesamowite. Myślę, że jesteśmy świadkami narodzin nowej dziedziny” – mówi Perez.

Schumm przyznaje, że co tydzień dostaje kilka maili od teoretyków, którzy chcą wykorzystać zegary do testowania własnych egzotycznych hipotez. Aby jednak osiągnąć precyzję wyższą niż zegary atomowe, tor-229 trzeba będzie wyizolować z kryształu – to droga, która wciąż pozostaje do zbadania.