Čína vytvorila rekordné jadrové hodiny. Európsky prototyp prekonávajú až 6-násobne

Čínski fyzici dostali do prevádzky zariadenie, ktoré môže predstavovať ďalší veľký krok po dnešných optických atómových hodinách. Namiesto pohybu elektrónov využíva ako frekvenčnú referenciu prechod priamo v jadre izotopu tória-229. Nejde už iba o spektroskopický experiment. Vedcom sa podarilo k jadrovému prechodu uzamknúť laser pomocou spätnej väzby, čím vznikli funkčné jadrové optické hodiny.

Výsledky tímu z Tsinghua University a ďalších čínskych pracovísk vyšli 7. októbra v časopise Nature. V ten istý deň publikoval vlastný funkčný systém aj nezávislý tím vedený vedcami vo Viedni. Nature oba výsledky označuje za prvé realizácie jadrových hodín.

Čínsky systém pritom v jednom z najdôležitejších ukazovateľov dosiahol približne šesťkrát lepšiu krátkodobú frekvenčnú stabilitu než európsky prototyp.

Namiesto elektrónu sledujú jadro

Dnešné atómové hodiny určujú čas pomocou presne definovaných energetických prechodov elektrónov. Optické verzie už dosahujú extrémnu presnosť a podobné zariadenia sú základom špičkovej metrológie, navigácie či synchronizácie komunikačných systémov.

Jadrové hodiny presúvajú referenciu hlbšie do atómu. Sledujú energetický prechod jeho jadra. Výhodou je, že jadro je výrazne menšie a elektrónový obal ho čiastočne chráni pred vonkajšími elektrickými a magnetickými poľami. V budúcnosti preto môže ponúknuť veľmi stabilnú frekvenčnú referenciu.

Problémom je, že energetické prechody väčšiny jadier nedokážeme pohodlne ovládať bežnými lasermi. Tórium-229 je výnimočné. Má mimoriadne nízko položený excitovaný jadrový stav s energiou, ktorú možno zasiahnuť vákuovým ultrafialovým svetlom. Práve vďaka tomu sa z neho stal hlavný kandidát na jadrové hodiny.

Na FonTechu sme už vysvetľovali, prečo sú extrémne presné hodiny dôležité aj mimo laboratórií. Pri navigácii a kozmických misiách sa aj veľmi malé časové chyby postupne premietajú do chyby polohy.

Unsplash/TU Wien

Tórium uzavreli do kryštálu

Čínsky tím použil jadrá tória-229 zabudované do kryštálu fluoridu vápenatého. Ožaruje ich úzkopásmovým laserom s vlnovou dĺžkou 148,4 nanometra.

Kľúčové bolo vytvorenie stabilného zdroja práve v tejto oblasti vákuového ultrafialového žiarenia. Vedci použili štvorvlnové miešanie v kadmiových parách a následne laser priebežne korigovali podľa odozvy jadrového prechodu. Hodiny tak už jadrovú rezonanciu iba nepozorujú, ale používajú ju ako referenciu na riadenie frekvencie lasera.

Výsledná frakčná frekvenčná nestabilita dosiahla 5 × 10⁻¹³ / √τ, kde τ predstavuje čas priemerovania v sekundách. Rakúska skupina pri svojom zariadení uvádza 3 × 10⁻¹² / √τ. Pri priamom porovnaní týchto čísel teda vychádza čínsky experiment približne šesťkrát stabilnejšie.

Vedci navyše použili dva nezávisle vyrobené kryštály a namerané frekvencie sa zhodovali približne na úrovni 10⁻¹³. To je dôležité, pretože ukazuje, že hodiny nemusia byť závislé od jednej unikátnej vzorky kryštálu.

Najlepšie atómové hodiny zatiaľ neprekonali

Pri výsledku treba oddeliť stabilitu od absolútnej presnosti. Nové jadrové hodiny zatiaľ nie sú najpresnejšími hodinami sveta a čínske zariadenie neprekonáva najlepšie optické atómové hodiny.

Súčasné optické referencie už dokázali porovnania na úrovni 10⁻¹⁹, zatiaľ čo dnešné prototypy jadrových hodín sa počas dlhšieho priemerovania dostávajú približne k úrovni 10⁻¹⁵.

Tvrdenia, že jadrové hodiny by raz mohli stratiť približne sekundu až za stovky miliárd rokov, preto opisujú potenciál budúcich systémov, nie aktuálne dosiahnutý výkon čínskeho prototypu. Čínski vedci hovoria o teoretickej presnosti presahujúcej 10⁻¹⁹.

Môžu hľadať aj temnú hmotu

Presnejšie meranie času pritom nie je jediným cieľom. Jadrový prechod tória-229 reaguje na niektoré možné zmeny fundamentálnych fyzikálnych konštánt citlivejšie než elektronické prechody používané v atómových hodinách.

Viedenský tím už svoj nový časomer použil na hľadanie veľmi malých periodických zmien energie jadrového prechodu, ktoré by mohli súvisieť s určitými modelmi ultraľahkej temnej hmoty. Žiadny dôkaz jej existencie experiment nepriniesol, no pri niektorých typoch interakcií dokázal stanoviť nové obmedzenia.

Práve v tom môže byť najväčší význam nových zariadení. Súčasné experimenty ešte najlepšie atómové hodiny nenahrádzajú. Po viac než dvoch desaťročiach vývoja sa však jadro tória-229 prvýkrát zmenilo z kandidáta na reálne fungujúcu frekvenčnú referenciu so spätnou väzbou. Ďalším krokom bude zlepšenie kryštálov, výkonu ultrafialových laserov a potlačenie vplyvov prostredia.

Čítajte viac z kategórie: Novinky