Dvě nezávislé výzkumné skupiny představily v časopise Nature první funkční jaderné hodiny využívající thorium-229: jednu vyvinula spolupráce vedená vídeňskou TU Wien a německým metrologickým ústavem PTB, druhou tým univerzity Tsinghua v Pekingu. Klíčovým krokem bylo použít jako časovou referenci přechod v atomovém jádře thoria.
4
17
Jak jaderné hodiny měří čas
Běžné atomové hodiny sledují přechody elektronů v atomech. Nové prototypy místo toho využívají přechod v jádrech izotopu thorium-229, která jsou zabudována do krystalů fluoridu vápenatého (CaF₂). Nejde tedy o hodiny založené na štěpení nebo jaderné fúzi: měří se frekvence světla, které vybudí konkrétní jaderný přechod.
17
37
Vídeňský tým stabilizoval spojitý laser na přechodu o vlnové délce 148 nm. Jeho frekvenci rychle upravovala zpětná vazba založená na absorpční spektroskopii jader thoria.
33
Co ukázaly Vídeň a Tsinghua
Tým TU Wien a PTB předvedl systém, který se dokáže stabilizovat sám a fungovat déle než 24 hodin bez zásahu obsluhy. Při jednodenním provozu se frekvenční nestabilita přiblížila hodnotě 10⁻¹⁵ — často přirovnávané k odchylce zhruba jedné sekundy za 30 milionů let. Tento přepočet ilustruje přesnost měření; neznamená, že hodiny běžely 30 milionů let.
9
33
Tým univerzity Tsinghua uvedl přibližně šestkrát vyšší stabilitu oproti vídeňskému prototypu. Při samostatných zkouškách navíc dva nezávisle vypěstované krystaly poskytly téměř totožné signály. Jejich měření se podle zveřejněných výsledků shodovala zhruba na tři díly z deseti bilionů.
19
20
Tyto údaje popisují různé vlastnosti. Stabilita říká, jak se frekvence mění v čase; shoda mezi krystaly vypovídá o opakovatelnosti měření. Samy o sobě proto nepředstavují přímé srovnání absolutní přesnosti obou hodin. U zařízení Tsinghua byla uvedena frekvenční nestabilita 5 × 10⁻¹³/√(τ/s), zatímco u spolupráce PTB–TU Wien 3 × 10⁻¹²/√(τ/s); τ označuje dobu průměrování.
33
39
Významný milník, nikoli nový rekord přesnosti
To, že funkční systémy nezávisle předvedly dvě laboratoře, naznačuje, že nejde jen o jednorázový výsledek jediné experimentální sestavy. Zveřejněná data ale neukazují, že by jaderné hodiny už překonaly nejlepší atomové hodiny. Zatím jde o prototypy.
4
17
Rozdíl ve stabilitě nepopírá hodnotu přibližně 10⁻¹⁵ uváděnou u vídeňského měření: jde o různé srovnání a časové škály. Když se tedy o jednom zařízení řekne, že je „šestkrát lepší“, je důležité upřesnit, kterou vlastnost tím máme na mysli.
9
33
39
Co by mohly jaderné hodiny přinést
Jaderné hodiny mohou nabídnout nový nástroj pro testování základní fyziky. Vídeňský tým s jejich pomocí hledal periodické změny i pomalé posuny energie jaderného přechodu, a tím zpřesňoval omezení některých modelů ultralehké temné hmoty. Nejde o její detekci, ale o stanovení mezí, které tyto modely musí splňovat.
33
Vědci zmiňují také možnosti přesného měření času a budoucích přenosných systémů. Dosavadní výsledky se však týkají prototypů, nikoli hotového nasazení například v satelitní navigaci nebo jiné infrastruktuře.
4
8
17
Nejstřízlivější závěr je zároveň podstatný: dvě nezávislé skupiny poprvé předvedly funkční hodiny založené na jaderném přechodu thoria-229. Samostabilizace vídeňského zařízení, vyšší uváděná stabilita hodin Tsinghua i shoda samostatně připravených krystalů jsou významné kroky — zatím ale nedokládají, že jaderné hodiny překonaly špičkové atomové hodiny.
9
19
33