Jądrowy wzorzec czasu stabilizuje się sam. Wiedeński prototyp z torem-229 myli się o sekundę na 30 milionów lat

Tradycyjne zegary atomowe, stanowiące fundament współczesnych wzorców czasu i systemów nawigacji satelitarnej, opierają się na przejściach kwantowych elektronów na powłokach atomowych – strukturach stosunkowo rozległych i podatnych na zakłócenia ze strony zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Zespół fizyków z Instytutu Fizyki Atomowej i Subatomowej na Politechnice Wiedeńskiej (TU Wien) we współpracy z niemieckim instytutem metrologicznym PTB Braunschweig dokonał jednak przełomu na poziomie samego jądra atomowego.
Jądrowy wzorzec czasu stabilizuje się sam. Wiedeński prototyp z torem-229 myli się o sekundę na 30 milionów lat

Badacze skonstruowali pierwszy na świecie w pełni autonomiczny prototyp zegara jądrowego, który bez jakiejkolwiek asysty zewnętrznej pracował stabilnie przez ponad 24 godziny, korygując własne dryfy częstotliwości z dokładnością do jednej sekundy na 30 milionów lat.

Sercem konstrukcji jest tor-229 (229Th) – unikalny izotop w układzie okresowym, charakteryzujący się niespotykanie niską przerwą energetyczną pomiędzy stanem podstawowym a pierwszym stanem wzbudzonym jądra. Różnica ta jest na tyle mała, że stan kwantowy jądra można przełączać za pomocą promieniowania lasera ultrafioletowego (UV), podczas gdy w przypadku pozostałych pierwiastków wymagałoby to twardego promieniowania gamma.

Po udanej demonstracji tego przejścia w kwietniu 2024 roku oraz zsynchronizowaniu go z klasycznym optycznym zegarem atomowym w kolejnych miesiącach, inżynierowie stanęli przed największym wyzwaniem metrologicznym: stworzeniem w pełni samoregulującej się pętli sprzężenia zwrotnego.

W nowym układzie, kierowanym przez prof. Thorstena Schumma, laser i domieszkowany torem kryształ tworzą zamknięty obwód stabilizacyjny. Światło lasera zmienia stan kwantowy jąder toru, a te z kolei służą do rygorystycznego blokowania częstotliwości samego promienia.

Ponieważ jądra absorbują fotony wyłącznie przy idealnym zestrojeniu rezonansu, jakikolwiek spadek absorpcji wywołany choćby minimalnym dryfem termicznym lasera natychmiast wyzwala automatyczną korektę układu optycznego. Mechanizm ten eliminuje konieczność podpierania się konwencjonalnym zegarem atomowym, czyniąc wiedeński przyrząd pierwszym w pełni samodzielnym wzorcem jądrowym.

W 24-godzinnym teście ciągłym prototyp osiągnął stabilność na poziomie około 10^−15. Choć współczynnik ten ustępuje jeszcze najbardziej wyrafinowanym optycznym zegarom atomowym, miniaturowe rozmiary jądra atomowego i jego naturalne ekranowanie przed zewnętrznym szumem środowiskowym dają technologii jądrowej potencjał do osiągnięcia precyzji daleko wykraczającej poza możliwości wzorców elektronowych.

Kolejne wersje – wykorzystujące lasery o wyższej mocy i ulepszoną strukturę kryształów – zmierzają ku budowie przenośnych modułów pomiarowych. Urządzenia te posłużą nie tylko w głębokiej nawigacji kosmicznej i geodezji relatywistycznej do mapowania anomalii grawitacyjnych w skorupie ziemskiej, ale umożliwią także bezpośrednie testowanie fundamentalnych praw fizyki, w tym weryfikację ewentualnej zmienności stałych fizycznych w czasie.

Napisane przez

Monika Wojciechowska

Redaktor
Najbliższe są mi tematy związane z technologią, gadżetami, nowoczesnym AGD i motoryzacją. Interesują mnie rozwiązania, które nie tylko dobrze wyglądają na papierze, ale przede wszystkim realnie wpływają na komfort, wygodę i sposób, w jaki korzystamy z technologii na co dzień. Ukończyłam studia dziennikarskie oraz szkolenia z zakresu sztucznej inteligencji. Prywatnie uwielbiam gry i muzykę.