Nükleer saatler ilk kez işliyor

İki bağımsız araştırma ekibi fizikte uzun süredir devam eden bir hedefe ulaştı: Çalışan bir nükleer saat inşa etmek. Tsinghua Üniversitesi’nden Beichen Huang ve meslektaşları ile Avusturya’daki Viyana Kuantum Bilimi ve Teknolojisi Merkezi’nden Luca Toscani De Col ve meslektaşları tarafından geliştirilen cihazlar, zamanı olağanüstü bir hassasiyetle ölçmek için toryum-229 atomunun çekirdeğini kullanıyor; muhtemelen bugün mevcut olan en iyi atom saatlerini bile geride bırakıyor.

Hem Çin hem de Avrupa çalışmaları ön baskı olarak yayınlandı. arXiv.

Nükleer enerji seviyelerinin kullanılması

Atomik saatler, elektronların atom seviyeleri arasında sıçraması sırasında yayılan frekansları kaydederek zamanı ölçen, bugüne kadar mevcut olan en doğru saatlerdir. Bu frekanslar olağanüstü derecede kararlı olduğundan, aynı zamanda oldukça öngörülebilirdirler ve gözlemcilerin yalnızca salınım sayısını sayarak ne kadar zaman geçtiğini takip etmelerine olanak tanırlar.

Teorik olarak nükleer saatler de aynı prensiple çalışabilir; ancak atomik enerji seviyeleri yerine zaman işleyişini çekirdek içindeki proton ve nötronların enerji seviyeleri arasındaki geçişlere bağlarlar. Çekirdek çevredeki elektronlara göre çevreden çok daha izole olduğundan, başıboş elektrik ve manyetik alanlardan kaynaklanan bozulmalara karşı daha az savunmasızdır. Pratik olarak gerçekleştirilirse bu, atomik muadillerinden çok daha doğru ve sağlam saatlere olanak tanıyacaktır.

Periyodik tablodaki tüm çekirdeklerden yalnızca bir tanesi bu amaç için uygundur: toryum-229. Çekirdeğinin içindeki mevcut enerji sıçraması, lazer ışığı kullanılarak tetiklenecek ve ölçülecek kadar doğru boyuttadır; bu, bilinen diğer çekirdekler için geçerli değildir.

Buna rağmen, çalışan bir nükleer saat inşa etmenin şu ana kadar zorlu bir iş olduğu ortaya çıktı. Bunun nedeni büyük ölçüde gerekli lazer ışığının, teknik olarak üretilmesi ve kontrol edilmesi zor bir bölge olan spektrumun vakumlu ultraviyole kısmında bulunmasıdır.

Aynı yöntem, farklı doğrulamalar

Huang ve Toscani De Col’un ekipleri, çalışmalarında, toryum-229 çekirdeklerini kalsiyum florür kristallerine yerleştirerek ve bunları yaklaşık 148 nanometrede çalışan, ince ayarlı sürekli dalga lazeriyle inceleyerek bu zorluğun üstesinden geldi. İki yaklaşımın detayları birbirinden farklıydı: Çinli ekip daha güçlü bir lazer kullanırken, Avrupalı ​​ekip daha yüksek konsantrasyonda toryum çekirdeği içeren bir kristalle çalıştı.

Saatlerini doğrulamak için her takım farklı bir yaklaşım benimsedi. Huang’ın ekibi, cihazının vakumlu ultraviyole lazerin frekansını stabilize edebildiğini ve bir günlük çalışmadan sonra onu 10 trilyonda bir parçaya yaklaşan fraksiyonel frekans istikrarsızlığıyla nükleer geçişe kilitleyebildiğini gösterdi.

Bunun tersine, Toscani De Col’un ekibi, evrenin henüz açıklanamayan kütlesinin çoğunu oluşturduğu öne sürülen teorik parçacıklar olan ultra hafif karanlık maddenin izlerini aramak için saatlerini harcadı. Bunu yapmak için araştırmacılar toryum geçiş enerjisindeki küçük, periyodik değişimleri araştırdılar. Hiçbir karanlık madde sinyali bulunamadı, ancak elde edilen hassasiyet mevcut en iyi atom saatleriyle eşleşti veya onu aştı.

Eşi görülmemiş zaman işleyişine doğru bir adım

Sonuçlar hep birlikte derin bir dönüm noktasına işaret edebilir. Hassas zaman işleyişinin ötesinde nükleer saatler, doğa güçlerini yöneten temel sabitlerin gerçekten sabit olup olmadığı da dahil olmak üzere fizikteki en derin soruların bazılarına yeni bir pencere sunuyor.

Eğer teknoloji geliştirilebilir ve minyatürleştirilebilirse, her iki ekip de kompakt nükleer saatlerin eninde sonunda navigasyon sistemlerinde, yerçekimsel algılamada ve günümüz araçlarının ulaşamayacağı temel fizik testlerinde yer alabileceğinden umutlu.