Zapomnij o zegarach atomowych. Europejscy fizycy uruchomili pierwszy na świecie zegar jądrowy

Zegary atomowe, choć genialne w swojej konstrukcji (potrafią nie spóźnić się nawet o sekundę przez miliardy lat), opierają się na analizie „tykania” – skoków energetycznych elektronów pobudzanych przez światło lasera. Z metrologicznego punktu widzenia ma to jedną wadę: elektrony (w uproszczeniu) krążą na obrzeżach atomu, przez co są narażone na subtelne zakłócenia z otoczenia.

Zaproponowana jeszcze w 2003 roku idea zegara jądrowego zakładała odrzucenie tej metody na rzecz pomiaru energii w samym jądrze atomowym. Ponieważ jądro znajduje się głęboko w centrum atomu, jest ono dobrze chronione przed zewnętrznymi zakłóceniami, co w teorii może zapewnić niespotykaną dotąd stabilność pomiaru.

Tajemnicze kryształy z torem-229

Zbudowanie takiego urządzenia było jednak gigantycznym wyzwaniem. Zmiany stanów wewnątrz jądra atomowego zazwyczaj wymagają dostarczenia ekstremalnie dużej dawki energii. Było to całkowicie poza zasięgiem współczesnych laserów.

Rozwiązaniem okazał się tor-229. Tor to naturalnie występujący pierwiastek chemiczny (radioaktywny metal), a liczba 229 oznacza jego konkretną odmianę, zwaną izotopem. Wyróżnia się czymś wyjątkowym – jego jądro potrzebuje wyjątkowo niewiele energii, by „przeskoczyć” w wyższy stan, co umożliwia wybicie taktu zegara. Zamiast potężnej dawki energii (dostarczonej np. promieniami rentgenowskimi), do jego wzbudzenia wystarczy precyzyjne światło specjalnego lasera emitującego tzw. próżniowy ultrafiolet.

W przełomowych badaniach oba zespoły osadziły jądra tego specyficznego izotopu wewnątrz przezroczystych kryształów fluorku wapnia, tworząc z nich serce nowego zegara. Od tego momentu podejścia chińskiej i europejskiej grupy badawczej zaczęły się jednak od siebie różnić.

Dwa zespoły = podwójny triumf nauki

Zespół z Europy skupił się na stworzeniu w pełni samodzielnego urządzenia. Aby upewnić się, że nowy zegar jądrowy odmierza czas poprawnie, badacze na bieżąco porównywali jego pracę z tradycyjnym zegarem atomowym. Wyniki potwierdziły, że nowa technologia działa bardzo stabilnie.

Co więcej, fizycy od razu wykorzystali wyjątkową precyzję swojego wynalazku do poszukiwań ciemnej materii. Zakłada się, że ta nieuchytna substancja mogłaby minimalnie zakłócać pracę niezwykle czułego zegara. Choć naukowcy jeszcze jej nie wykryli, to precyzja sprzętu pozwoliła im wykluczyć część błędnych teorii na temat właściwości ciemnej materii, co już teraz jest wielkim krokiem naprzód dla astrofizyki.

Z kolei badacze z Chin postanowili sprawdzić, czy samo otoczenie fizyczne – czyli struktura kryształu – nie zaburza pracy zegara. W tym celu zamknęli atomy toru w dwóch niezależnie wyprodukowanych kryształach. Okazało się, że w obu przypadkach osiągnięto dokładnie taką samą częstotliwość „tykania”.

To odkrycie jest niezwykle ważne, ponieważ udowadnia, że kryształ nie zmienia w losowy sposób pracy jądra atomowego. Dzięki temu wiemy, że w przyszłości zegary jądrowe będą mogły być produkowane seryjnie jako wysoce precyzyjny, niezawodny sprzęt, a nie tylko pełnić rolę wyjątkowych eksperymentów zarezerwowanych dla nielicznych laboratoriów.

Czas na nową fizykę

Na ten moment nowe konstrukcje nie biją jeszcze pod względem dokładności rekordów ustalonych przez najlepsze zegary atomowe (które miały aż 70 lat na stały rozwój i udoskonalenia). Są jednak kolejnym dowodem na to, że fizyczna teoria może działać w praktyce.

Jeśli prognozy wysunięte przez fizyków z Uniwersytetu Wiedeńskiego się sprawdzą, te zaskakująco kompaktowe urządzenia przewyższą starszą technologię w ciągu zaledwie kilku lat. Dadzą nam również potężne narzędzie w fizyce pomiarowej do sprawdzania, czy fundamentalne stałe naszego Wszechświata ulegają jakimkolwiek zmianom w czasie.

Źródła: Cornell University, arXiv

Nasz autor

Jonasz Przybył

Redaktor i dziennikarz związany wcześniej m.in. z przyrodniczą gałęzią Wydawnictwa Naukowego PWN, autor wielu tekstów publicystycznych i specjalistycznych. W National Geographic skupia się głównie na tematach dotyczących środowiska naturalnego, historycznych i kulturowych. Prywatnie muzyk: gra na perkusji i na handpanie. Interesuje go historia średniowiecza oraz socjologia, szczególnie zagadnienia dotyczące funkcjonowania społeczeństw i wyzwań, jakie stawia przed nimi XXI wiek.