Naukowcy z Wiednia zbudowali pierwszy, jak twierdzą, samostabilizujący się zegar jądrowy. Urządzenie wykorzystuje jądra atomów toru jako wzorzec częstotliwości, a nie elektrony, na których opierają się współczesne zegary atomowe. Prototyp potrafił pracować przez ponad 24 godziny bez podłączania do konwencjonalnego zegara atomowego i bez ręcznej interwencji. To ważny krok w kierunku nowej klasy przyrządów do pomiaru czasu, choć na obecnym etapie wynik nie oznacza jeszcze, że zegary jądrowe wyprzedziły najlepsze istniejące zegary atomowe.
Pomysł wykorzystania jąder atomowych jako wyjątkowo stabilnych wzorców czasu jest rozwijany od dziesięcioleci. Problem polega na tym, że zmiana stanu energetycznego jądra zwykle wymaga bardzo dużej energii. Tor jest pod tym względem nietypowy. Dwa jego stany energetyczne dzieli wyjątkowo mała różnica, dlatego można próbować wywołać przejście między nimi za pomocą światła lasera. Dzięki temu naukowcy mogą kontrolować stan jądra i wykorzystać jego reakcję jako precyzyjne odniesienie dla częstotliwości.
Przełomowy etap tych prac nastąpił w kwietniu 2024 roku. Zespół kierowany przez Thorstena Schumma z Instytutu Fizyki Atomowej i Subatomowej TU Wien, współpracujący z grupą Ekkeharda Peika z PTB w Brunszwiku, po raz pierwszy eksperymentalnie zidentyfikował poszukiwane
Słownik artykułu
Krótkie objaśnienia terminów występujących w tekście. Każde hasło prowadzi do szerszej definicji i przykładów użycia.
Zegar, który wykorzystuje przejście między stanami energetycznymi jądra atomowego jako odniesienie do odmierzania czasu.
Zmiana jądra atomowego z jednego stanu energetycznego do innego, której może towarzyszyć absorpcja lub emisja promieniowania.
Proces, w którym skutek danego zjawiska wpływa na jego dalszy przebieg.
Nowe rozwiązanie opiera się na specjalnym krysztale zawierającym atomy toru, wytworzonym na TU Wien. Laser oświetla kryształ i oddziałuje z jądrami znajdującymi się w jego wnętrzu. Częstotliwość światła lasera jest wykorzystywana jako regularny rytm zegara, lecz nawet niewielkie zmiany temperatury lub innych warunków otoczenia mogą spowodować jej przesunięcie. Dla precyzyjnego pomiaru konieczne jest więc utrzymanie tego rytmu na możliwie stałym poziomie.
Mechanizm działa dzięki temu, że jądra toru pochłaniają światło tylko wtedy, gdy laser pracuje z właściwą częstotliwością. Jeżeli częstotliwość zaczyna się od niej oddalać, ilość pochłanianego światła maleje. Układ wykrywa tę zmianę i automatycznie koryguje pracę lasera, przywracając go do odpowiedniego ustawienia. Jest to mechanizm sprzężenia zwrotnego. Jądra nie pełnią więc wyłącznie funkcji pasywnego wzorca, ale pomagają na bieżąco stabilizować źródło światła, które wyznacza rytm zegara.
Zespół sprawdzał działanie prototypu w ciągu jednej doby. Osiągnięta względna precyzja wyniosła około 10 do potęgi minus 15. W przeliczeniu odpowiada to błędowi rzędu jednej sekundy w ciągu 30 milionów lat. To porównanie opisuje wynik pomiaru i skalę uzyskanej precyzji, a nie obserwację zegara przez 30 milionów lat. Badanie trwało około dnia, a wskazana wartość jest ekstrapolacją właściwości układu.
Wynik jest bardzo dobry jak na pierwszy samodzielnie stabilizujący się prototyp, ale nie stanowi jeszcze rekordu w pomiarze czasu. Najlepsze optyczne zegary atomowe nadal osiągają większą precyzję i pozostają punktem odniesienia dla najbardziej wymagających zastosowań. Zespół z Wiednia pokazał przede wszystkim, że zegar jądrowy może działać jako niezależny system, a nie tylko jako układ wspomagany przez istniejący zegar atomowy. To różnica istotna konstrukcyjnie, ponieważ bez własnej stabilizacji potencjalna przewaga jąder nie mogłaby zostać wykorzystana w praktyce.
Potencjalna przewaga rozwiązania wynika z rozmiaru i właściwości jąder. Jądra atomowe są ponad 10 tysięcy razy mniejsze od całych atomów, dlatego mogą być słabiej podatne na część zakłóceń zewnętrznych wpływających na pomiary. W tradycyjnych zegarach atomowych wzorcem są przejścia elektronów. W zegarze jądrowym wzorzec znajduje się głębiej, w samym jądrze, co w przyszłości może ułatwić uzyskanie większej odporności na wpływ otoczenia. Nie jest to jednak automatyczna gwarancja lepszego działania. Ostateczna przewaga zależy także od jakości lasera, kryształu, kontroli środowiska oraz sposobu odczytu sygnału.
Dokładniejsze zegary mają znaczenie nie tylko dla samego odmierzania czasu. Czas jest jednym z podstawowych odniesień w fizyce, dlatego stabilniejszy wzorzec może pomóc w dokładniejszym porównywaniu innych wielkości i w badaniu niewielkich zmian przewidywanych przez teorie fizyczne. Na tym etapie źródło opisuje jednak przede wszystkim możliwości wynikające z konstrukcji i kierunki dalszych prac. Nie przedstawia zastosowania komercyjnego ani dowodu, że zegary jądrowe są już gotowe do zastąpienia najlepszych zegarów atomowych.
Naukowcy oceniają, że prototyp ma znaczny zapas do dalszej poprawy. Wśród wskazanych kierunków są zastosowanie mocniejszych laserów oraz opracowanie kryształów torowych o wyższej jakości. Takie zmiany powinny zwiększyć precyzję i ułatwić wykorzystanie właściwości przejścia jądrowego. Dopiero kolejne pomiary pokażą, czy układ może zbliżyć się do poziomu najlepszych optycznych zegarów atomowych, a następnie go przekroczyć.
Najważniejszym rezultatem obecnej pracy jest demonstracja samodzielnego działania. Przez ponad dobę zegar utrzymywał stabilność bez konwencjonalnego wzorca, który korygowałby jego częstotliwość. Oznacza to, że wieloletni pomysł wykorzystania łatwo dostępnego optycznie przejścia w jądrze toru został przekształcony w działający system pomiarowy. Zanim rozwiązanie stanie się praktyczną alternatywą dla zegarów atomowych, potrzebne będą dalsze testy, poprawa precyzji i sprawdzenie stabilności w różnych warunkach. Obecny wynik jest więc ważnym etapem rozwoju technologii, a nie końcem wyścigu o najdokładniejszy zegar.
Brak komentarzy. Bądź pierwszy!
