Δύο ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες παρουσίασαν στο Nature τα πρώτα λειτουργικά πυρηνικά ρολόγια με θόριο-229: μία συνεργασία με επικεφαλής την TU Wien και την PTB στη Γερμανία και μία ομάδα του Πανεπιστημίου Tsinghua στο Πεκίνο. Το βασικό βήμα είναι ότι οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια μετάβαση στον πυρήνα του θορίου ως αναφορά για τη μέτρηση του χρόνου.
4
17
Πώς μετρούν τον χρόνο τα πυρηνικά ρολόγια
Τα συμβατικά ατομικά ρολόγια βασίζονται σε μεταβάσεις ηλεκτρονίων στα άτομα. Τα νέα πρωτότυπα χρησιμοποιούν μεταβάσεις στους πυρήνες του ισοτόπου θόριο-229, ενσωματωμένους σε κρυστάλλους φθοριούχου ασβεστίου (CaF₂). Έτσι, δεν πρόκειται για ρολόγια που μετρούν διάσπαση ή πυρηνική αντίδραση, αλλά για συστήματα που παρακολουθούν τη συχνότητα του φωτός που διεγείρει συγκεκριμένη πυρηνική μετάβαση.
17
37
Στο πείραμα της Βιέννης, ένα συνεχές λέιζερ σταθεροποιήθηκε στη μετάβαση των 148 nm. Η συχνότητά του διορθωνόταν με γρήγορη ανατροφοδότηση, βασισμένη στη φασματοσκοπία απορρόφησης από τους πυρήνες θορίου.
33
Τι έδειξαν οι δύο ομάδες
Η ομάδα της TU Wien και της PTB έδειξε ότι το σύστημά της μπορεί να λειτουργεί αυτοσταθεροποιούμενο για περισσότερες από 24 ώρες χωρίς παρέμβαση. Η αστάθεια συχνότητας πλησίασε το 10⁻¹⁵ σε λειτουργία μίας ημέρας — μέγεθος που συχνά αποδίδεται ως απόκλιση περίπου ενός δευτερολέπτου σε 30 εκατομμύρια χρόνια. Η αναλογία αυτή περιγράφει την ακρίβεια της μέτρησης· δεν σημαίνει ότι το ρολόι δοκιμάστηκε για τόσο μεγάλο διάστημα.
9
33
Η ομάδα της Tsinghua ανέφερε περίπου έξι φορές μεγαλύτερη σταθερότητα σε σχέση με το πρωτότυπο της Βιέννης. Σε ξεχωριστές δοκιμές, κρύσταλλοι που αναπτύχθηκαν ανεξάρτητα έδωσαν σχεδόν ταυτόσημα σήματα, με συμφωνία που αναφέρθηκε περίπου στα τρία μέρη ανά δέκα τρισεκατομμύρια.
19
20
Οι αριθμοί αυτοί περιγράφουν διαφορετικές ιδιότητες: η σταθερότητα αφορά το πόσο αλλάζει η συχνότητα με την πάροδο του χρόνου, ενώ η συμφωνία μεταξύ κρυστάλλων αφορά την αναπαραγωγιμότητα των μετρήσεων. Δεν αποτελούν από μόνοι τους σύγκριση της απόλυτης ακρίβειας των δύο ρολογιών. Η αναφερόμενη αστάθεια της συσκευής Tsinghua ήταν 5 × 10⁻¹³/√(τ/s), έναντι 3 × 10⁻¹²/√(τ/s) για τη συνεργασία PTB–TU Wien, όπου τ είναι ο χρόνος μέσης τιμής.
33
39
Σημαντικό βήμα, όχι ακόμη ρεκόρ ακρίβειας
Η ανεξάρτητη επίδειξη λειτουργικών συστημάτων σε δύο εργαστήρια αποτελεί ένδειξη ότι η προσέγγιση μπορεί να υλοποιηθεί πέρα από μία μεμονωμένη διάταξη. Ωστόσο, οι τρέχουσες συσκευές είναι πρωτότυπα και τα δημοσιευμένα αποτελέσματα δεν δείχνουν ότι έχουν ξεπεράσει τα καλύτερα ατομικά ρολόγια.
4
17
Η διαφορά στη σταθερότητα δεν αναιρεί την τιμή περίπου 10⁻¹⁵ που αναφέρθηκε για τη μέτρηση της Βιέννης: οι δύο συγκρίσεις αφορούν διαφορετικές μετρήσεις και χρονικές κλίμακες. Γι’ αυτό, ο ισχυρισμός ότι μία συσκευή είναι «έξι φορές καλύτερη» χρειάζεται να προσδιορίζει ποια ιδιότητα συγκρίνει.
9
33
39
Τι μπορεί να επιτρέψει η τεχνολογία
Τα πυρηνικά ρολόγια προτείνονται ως νέα εργαλεία για δοκιμές θεμελιώδους φυσικής. Η ομάδα της Βιέννης χρησιμοποίησε το ρολόι της για να αναζητήσει περιοδικές μεταβολές και αργές μετατοπίσεις στην ενέργεια της πυρηνικής μετάβασης, περιορίζοντας έτσι μοντέλα υπερελαφράς σκοτεινής ύλης. Αυτό είναι αποτέλεσμα περιορισμού μοντέλων, όχι ένδειξη ότι εντοπίστηκε σκοτεινή ύλη.
33
Οι ερευνητές έχουν επίσης επισημάνει ευρύτερες προοπτικές για ακριβή χρονομέτρηση και φορητά συστήματα, αλλά τα ευρήματα που παρουσιάστηκαν αφορούν πρωτότυπα και όχι έτοιμες εφαρμογές σε δορυφορική πλοήγηση ή άλλες υποδομές.
4
8
17
Το ασφαλές συμπέρασμα είναι συγκεκριμένο: για πρώτη φορά, δύο ανεξάρτητες ομάδες έδειξαν λειτουργικά ρολόγια που βασίζονται σε πυρηνική μετάβαση θορίου-229. Η αυτοσταθεροποίηση της Βιέννης, η μεγαλύτερη αναφερόμενη σταθερότητα της Tsinghua και η συμφωνία ανάμεσα σε χωριστά παρασκευασμένους κρυστάλλους αποτελούν ουσιαστικά βήματα — όχι απόδειξη ότι τα πυρηνικά ρολόγια έχουν ήδη ξεπεράσει τα κορυφαία ατομικά ρολόγια.
9
19
33