Od ponad pół wieku zegary atomowe stanowią fundament współczesnej technologii. Dzięki nim działają systemy nawigacji satelitarnej, sieci telekomunikacyjne, centra danych czy infrastruktura finansowa wymagająca niezwykle dokładnej synchronizacji. Ich działanie opiera się na pomiarze przejść energetycznych elektronów w atomach. Choć obecne konstrukcje osiągają niewiarygodną wręcz precyzję, fizycy od dawna przypuszczali, że jeszcze lepszym rozwiązaniem byłoby wykorzystanie samego jądra atomowego.
Problem polegał na tym, iż większość jąder atomowych wymaga ogromnych ilości energii do wzbudzenia, co praktycznie uniemożliwiało ich wykorzystanie jako “wahadła” odmierzającego czas. Wyjątkiem okazał się izotop toru-229. Jego jądro posiada niezwykle rzadkie przejście energetyczne, które można wzbudzić za pomocą promieniowania ultrafioletowego. To właśnie ta właściwość sprawiła, że tor-229 od lat wydawał się najpoważniejszym kandydatem do stworzenia pierwszego zegara jądrowego.
Przełom nastąpił w 2024 roku, gdy naukowcom udało się bardzo dokładnie określić częstotliwość przejścia energetycznego w jądrze toru-229. Pozwoliło to po raz pierwszy bezpośrednio połączyć sygnał pochodzący z jądra atomowego z jednym z najdokładniejszych zegarów atomowych wykorzystujących stront. Dzięki temu badacze uzyskali technologiczną podstawę do budowy zupełnie nowego rodzaju czasomierza.
W kolejnych miesiącach zespoły badawcze rozwijały tę technologię, wykorzystując kryształy fluorku wapnia zawierające atomy toru-229. Jądra atomowe wzbudzano za pomocą specjalnie przygotowanego promieniowania ultrafioletowego, a ich odpowiedź trzeba było następnie porównać z sygnałem generowanym przez klasyczne zegary atomowe. W ten sposób powstały pierwsze prototypy działających zegarów jądrowych. Choć urządzenia nie przewyższają jeszcze najlepszych konstrukcji atomowych, naukowcy podkreślają, że najważniejsze było potwierdzenie samej zasady działania.
Dlaczego nowe podejście jest tak istotny? Powód jest prosty: jądro atomowe jest znacznie mniej podatne na wpływ czynników zewnętrznych niż elektrony. Oznacza to większą stabilność pomiarów i możliwość osiągnięcia dokładności niedostępnej dla obecnych technologii. W praktyce zegary jądrowe mogłyby w przyszłości zachowywać precyzję przez miliardy lat, tracąc mniej niż jedną sekundę w całym tym okresie. Choć takie możliwości pozostają jeszcze w sferze dalszych prac rozwojowych, badacze są przekonani, że kierunek został już wyznaczony.
Czytaj też: Kot Schrödingera doczekał się rodziny. Fizycy mówią, że to coś więcej, niż tylko ciekawostka
Owe zastosowania zdecydowanie wykraczają poza zwykłe odmierzanie czasu. Jeszcze dokładniejsze zegary mogłyby znacząco zwiększyć precyzję systemów nawigacyjnych, poprawić synchronizację sieci telekomunikacyjnych i internetowych oraz umożliwić prowadzenie bardziej zaawansowanych badań kosmicznych. W przyszłości mogłyby również wspierać autonomiczną nawigację statków kosmicznych w miejscach, gdzie sygnał GPS jest niedostępny. Ze względu na ogromną czułość takie urządzenia mogłyby pomóc w poszukiwaniu ciemnej materii, sprawdzaniu stabilności fundamentalnych stałych fizycznych oraz testowaniu teorii wykraczających poza obecny model standardowy fizyki cząstek. Ekscytuję się na samą myśl!
Źródło: Science News
