שתי קבוצות מחקר עצמאיות הציגו ב-Nature את השעונים הגרעיניים הפועלים הראשונים המבוססים על תוריום-229: שיתוף פעולה בהובלת האוניברסיטה הטכנולוגית של וינה (TU Wien) והמכון הלאומי למטרולוגיה של גרמניה, PTB, וצוות מאוניברסיטת טסינגואה בבייג׳ינג. החידוש המרכזי הוא שימוש במעבר בתוך גרעין התוריום כנקודת ייחוס למדידת זמן.
4
17
מה שונה בשעון גרעיני?
שעונים אטומיים רגילים מודדים מעברים של אלקטרונים באטומים. השעונים החדשים מבוססים על מעברים בגרעינים של האיזוטופ תוריום-229, ששולבו בגבישים של סידן פלואוריד (CaF₂). הם אינם מודדים תגובה גרעינית או ביקוע, אלא עוקבים אחר תדירות האור שמפעיל מעבר מסוים בגרעין.
17
37
בניסוי של צוות וינה, לייזר רציף יוצב על המעבר הגרעיני באורך גל של 148 ננומטר. משוב מהיר, שהתבסס על מדידת בליעת האור בגרעיני התוריום, תיקן את תדירות הלייזר.
33
שתי קבוצות, שתי תוצאות בולטות
צוות TU Wien ו-PTB הראה שהמערכת שלו יכולה לפעול תוך ייצוב עצמי במשך יותר מ-24 שעות ללא התערבות. אי-יציבות התדירות התקרבה ל-10⁻¹⁵ במהלך יממה — נתון שמתואר לעיתים כשגיאה של כשנייה אחת ב-30 מיליון שנה. ההשוואה ממחישה את רמת הדיוק של המדידה; היא לא אומרת שהשעון נבדק במשך מיליוני שנים.
9
33
צוות טסינגואה דיווח על יציבות גבוהה בערך פי שישה מזו של אב-הטיפוס מווינה. בניסויים נפרדים, גבישים שיוצרו בנפרד הניבו אותות כמעט זהים, עם התאמה של כשלושה חלקים בעשרה טריליון.
19
20
חשוב להבחין בין המדדים: יציבות מתארת עד כמה התדירות משתנה לאורך זמן, ואילו ההתאמה בין גבישים מתארת את יכולת השחזור של המדידות. אף אחד מהנתונים האלה אינו השוואה בפני עצמו של הדיוק המוחלט של שני השעונים. אי-יציבות התדירות שדווחה עבור המכשיר של טסינגואה הייתה 5 × 10⁻¹³/√(τ/s), לעומת 3 × 10⁻¹²/√(τ/s) בשיתוף הפעולה PTB–TU Wien; τ מציין את זמן המיצוע.
33
39
פריצת דרך, לא שיא דיוק
הדגמה עצמאית של מערכות פועלות בשתי מעבדות מחזקת את ההבנה שאפשר לממש את הגישה מעבר למערכת ניסיונית יחידה. עם זאת, מדובר עדיין באבות-טיפוס, והתוצאות שפורסמו אינן מראות שהם עקפו את השעונים האטומיים המדויקים ביותר.
4
17
הפער בין נתוני היציבות אינו סותר את הנתון של כ-10⁻¹⁵ שדווח עבור המדידה בווינה: ההשוואות מתייחסות למדדים ולסולמות זמן שונים. לכן, כשאומרים שמכשיר אחד ״טוב פי שישה״, צריך לציין באיזו תכונה מדובר.
9
33
39
למה זה עשוי להיות שימושי?
שעונים גרעיניים עשויים לספק כלי חדש לבדיקת הפיזיקה הבסיסית. צוות וינה השתמש בשעון שלו כדי לחפש שינויים מחזוריים ושינויים איטיים באנרגיה של המעבר הגרעיני, וכך להציב מגבלות על מודלים של חומר אפל אולטרה-קל. זו הגבלה של מודלים אפשריים — לא גילוי של חומר אפל.
33
החוקרים הצביעו גם על אפשרויות עתידיות למדידת זמן מדויקת ועל פיתוח מערכות ניידות. אבל הממצאים שפורסמו מתארים אבות-טיפוס, ולא יישומים מוכנים לניווט לווייני או לתשתיות אחרות.
4
8
17
המסקנה המדויקת היא ששתי קבוצות עצמאיות הדגימו לראשונה שעונים פועלים המבוססים על מעבר גרעיני בתוריום-229. הייצוב העצמי בווינה, היציבות הגבוהה יותר שדווחה בטסינגואה וההתאמה בין גבישים שיוצרו בנפרד הם צעדים משמעותיים — אך עדיין אינם מוכיחים שהשעונים הגרעיניים עקפו את השעונים האטומיים המובילים.
9
19
33