Współczesne zegary atomowe słyną z wyjątkowej dokładności, bo ich wskazania wynikają z precyzyjnie kontrolowanych drgań elektronów pobudzanych laserami. Najnowsze prace pokazują jednak, że podobną rolę może pełnić także samo jądro atomu. Dwa zespoły – europejski i chiński – poinformowały o zbudowaniu prototypów zegarów jądrowych opartych na torze-229, a rezultaty opisały w preprintach udostępnionych w serwisie arXiv.
Idea zegara, który zamiast przejść elektronowych wykorzystuje zmiany energii zachodzące bezpośrednio w jądrze, pojawiła się w literaturze naukowej już w 2003 r. Przez lata pozostawała jednak głównie projektem teoretycznym, bo kluczowym wyzwaniem okazało się wymuszenie niezwykle dokładnych przejść jądrowych za pomocą światła laserowego – wymagania sprzętowe i kontrola warunków eksperymentu były zbyt trudne do spełnienia.
Przełom umożliwił izotop toru-229, wyróżniający się wyjątkowo niską energią przejścia jądrowego – na tyle małą, że można ją osiągnąć laserami wykorzystywanymi w zaawansowanej spektroskopii. W 2024 r. naukowcy z Austrii i Niemiec po raz pierwszy zdołali wywołać takie przejście i uzyskać regularne "tykanie" toru, czyli sygnał konieczny, by myśleć o zegarze. Kolejnym krokiem było już zbudowanie kompletnego urządzenia, które utrzyma parametry również poza idealnymi warunkami laboratoryjnymi.
WIDEOZakrzywili ruchome schody. To koszmar inżynierów
W obu projektach jądra toru-229 umieszczono w kryształach fluorku wapnia, a następnie pobudzano je laserem działającym w zakresie ultrafioletu próżniowego. Dalej drogi badaczy zaczęły się różnić. Zespół europejski zbudował samodzielny, działający zegar, w którym interakcja laser–jądra toru służyła do stabilizacji częstotliwości lasera. Stabilność rozwiązania sprawdzono przez porównania z referencyjnym zegarem optycznym opartym na jonach iterbu, co potwierdziło długoterminową stabilność nowej konstrukcji.
Europejscy badacze wykorzystali też swój zegar do poszukiwania ewentualnych sygnałów hipotetycznej ultralekkiej ciemnej materii, uzyskując nowe ograniczenia dla wybranych modeli teoretycznych. Jak podkreślili autorzy, "wykorzystując wyjątkową czułość przejścia w torze-229, te ograniczenia dorównują najlepszym zegarom atomowym w zakresie sprzężenia ciemnej materii z fotonami, a nawet przewyższają dotychczasowe wyniki przy pomiarach dotyczących oddziaływań z silną siłą jądrową oraz kwarkami".
Chińska grupa położyła większy nacisk na weryfikację powtarzalności. Zegary uruchomiono w dwóch niezależnie przygotowanych kryształach i sprawdzono, czy "jądrowe tykanie" pozostaje takie samo. Wynik okazał się niemal identyczny w obu przypadkach, co sugeruje, że wpływ środowiska krystalicznego na mechanizm odmierzania czasu jest niewielki. To ważny sygnał z punktu widzenia przyszłej standaryzacji i ewentualnej produkcji tego typu urządzeń na większą skalę.
Obecnie opracowane zegary jądrowe nie przewyższają jeszcze najdokładniejszych zegarów atomowych, które mają za sobą dziesięciolecia rozwoju technologicznego. Thorsten Schumm z Technische Universität Wien ocenia jednak, że w ciągu kilku lat konstrukcje jądrowe mogą dogonić, a nawet wyprzedzić rozwiązania stosowane dziś. Szczegółowe opisy obu projektów badawczych pozostają dostępne w preprintach na arXiv.
Redaktor serwisu WP Tech. Od ponad 10 lat codziennie pisze o astronomii, astrofizyce, kosmologii i eksploracji przestrzeni kosmicznej. Od samego początku stara się zostać prawdziwym kronikarzem pierwszych kroków ludzkości ku gwiazdom. Tak się dobrze złożyło, że przypadło mu żyć w czasach, w których ludzkość dokonuje fenomenalnych odkryć i po raz pierwszy w historii ma szansę zajrzeć na kres wszechświata i postawić stopę na innej planecie. Poza pracą - miłośnik psów i wielokilometrowych spacerów po lasach Wielkopolski.
