Prelom v meraní času: Vedci rozbehli jadrové hodiny z tória 229, na ktoré fyzici čakali celé desaťročia
Vedci ukázali funkčné jadrové hodiny založené na tóriu 229. Môžu posunúť presnosť merania času a pomôcť pri hľadaní temnej hmoty.
Čas považujeme za niečo, čo už vieme merať dokonale. Lenže fyzici vedia, že aj najpresnejšie hodiny majú hranice. Dva nezávislé výskumné tímy teraz ukázali funkčné jadrové hodiny založené na tóriu 229, teda na prechode priamo v jadre atómu. Nejde o hotový produkt, ktorý zajtra nahradí GPS, ale o prelom, na ktorý fyzici čakali desaťročia.
Za jednou prácou stojí tím Beichena Huanga z Tsinghua University v Číne, za druhou Luca Toscani De Col a kolegovia z Viedenského centra pre kvantovú vedu a technológiu. Obe štúdie sú zatiaľ dostupné ako preprinty na arXiv, takže ešte neprešli klasickým recenzným procesom. Dôležité však je, že oba tímy nezávisle ukázali podobný princíp. Laser sa im podarilo naviazať na jadrový prechod tória 229.
Dnešné hodiny merajú čas cez elektróny, nové jadrové hodiny cez tórium 229
Dnešné najpresnejšie hodiny fungujú tak, že sledujú prechody elektrónov medzi energetickými hladinami. Takýto prechod má mimoriadne stabilnú frekvenciu a práve jej počítaním vieme merať čas. Problém je v tom, že elektróny sa nachádzajú vo vonkajšom obale atómu, a preto ich môžu jemne ovplyvňovať elektrické či magnetické polia z okolia.
Jadro atómu je ukryté hlbšie. Elektrónový obal ho čiastočne tieni, takže by malo byť menej citlivé na rušivé vplyvy. Práve preto fyzici roky snívajú o jadrových hodinách, ktoré by mohli byť stabilnejšie a odolnejšie než dnešné optické atómové hodiny. Neznamená to, že sú automaticky dokonalé. Aj kryštál, teplota a technické spracovanie môžu výsledok ovplyvniť. No samotný princíp je mimoriadne lákavý.
Tu prichádza na scénu tórium 229. Je výnimočné tým, že jeho jadrový prechod má nezvyčajne nízku energiu. Inými slovami, dá sa zasiahnuť laserovým svetlom. Pri iných známych jadrách sú podobné prechody energeticky príliš vysoko a pre bežnú laserovú techniku prakticky nedostupné. Tórium 229 je preto jediné známe jadro, ktoré dnes dáva zmysel pre praktické jadrové hodiny.
Neprehliadni
Vedci potrebovali svetlo, ktoré sa správa ako problém. Práve preto jadrové hodiny tak dlho nevznikli
Fyzici síce vedeli, čo chcú dosiahnuť, ale dlho narážali na technickú bariéru. Prechod v tóriu 229 treba zasiahnuť laserom vo vákuovej ultrafialovej oblasti, približne pri vlnovej dĺžke 148 nanometrov. Takéto svetlo sa generuje a kontroluje veľmi ťažko. Bežný vzduch ho pohlcuje, optika s ním pracuje komplikovane a stabilizácia lasera je náročná.
Oba tímy použili podobnú stratégiu. Jadrá tória 229 vložili do kryštálov fluoridu vápenatého a osvetlili ich presne naladeným laserom. Čínsky tím pracoval s výkonnejším laserom, európsky tím použil kryštál s vyššou koncentráciou jadier tória. V oboch prípadoch sa však podarilo to hlavné: z jadrového prechodu vznikla použiteľná frekvenčná referencia.
Čína stavila na dva kryštály, Viedeň na temnú hmotu. Oba tímy však trafili rovnaký jadrový prechod
Čínsky tím ukázal, že jeho zariadenie dokáže stabilizovať frekvenciu vákuového ultrafialového lasera podľa jadrového prechodu tória 229. Autori uvádzajú frakčnú frekvenčnú nestabilitu 2 × 10⁻¹² / √(τ/s), pričom τ znamená čas priemerovania. Dôležité je aj to, že frekvencie namerané v dvoch rôznych kryštáloch sa zhodli na úrovni 10⁻¹³. To ukazuje, že nejde o náhodný laboratórny efekt, ale o reprodukovateľný fyzikálny jav.
Viedenský tím použil spätnoväzbovú slučku. Laser sa priebežne dolaďoval podľa toho, ako kryštál s tóriom pohlcoval žiarenie na jadrovom prechode. Podharmonickú zložku 148 nanometrového žiarenia zároveň porovnávali s jednoiónovými hodinami Yb+. Po jednom dni nepretržitej prevádzky sa dostali k nestabilite blížiacej sa k úrovni 10⁻¹⁵.
Tu treba byť ale presný. Nie je správne tvrdiť, že jadrové hodiny už definitívne porazili najlepšie atómové hodiny. Správnejšie je povedať, že vedci ukázali funkčný princíp jadrových hodín, ktoré by im v budúcnosti mohli konkurovať alebo ich v niektorých oblastiach prekonať.
Temná hmota sa neukázala. Jadrové hodiny však zúžili priestor, kde sa môže skrývať
Viedenský tím svoje hodiny nepoužil len na meranie času. Skúsil s nimi hľadať ultralahkú temnú hmotu, teda hypotetické častice, ktoré by mohli tvoriť časť neviditeľnej hmoty vesmíru. Ak by takáto temná hmota ovplyvňovala základné fyzikálne konštanty, mohla by spôsobiť drobné posuny v energii jadrového prechodu tória 229.
Vedci hľadali periodické výkyvy aj pomalé drifty na časových škálach od 20 sekúnd po jeden deň. Signál temnej hmoty nenašli. No aj nulový výsledok má vo fyzike hodnotu, pretože zužuje priestor pre niektoré modely. Podľa autorov dosiahnutá citlivosť súperí s najlepšími atómovými hodinami pri niektorých modeloch väzby temnej hmoty na fotóny a posúva limity aj pri väzbách na silnú interakciu a kvarky.
Presnejší čas nie je len o hodinách. Môže zlepšiť navigáciu aj odhaliť nové fyzikálne zákony
Presnejšie hodiny nie sú len akademická hračka. Od merania času závisí GPS navigácia, synchronizácia telekomunikačných sietí, dátové centrá aj špičkové vedecké experimenty. Jadrové hodiny by navyše mohli slúžiť ako extrémne citlivé senzory. Pomohli by testovať, či sú fundamentálne konštanty prírody naozaj nemenné, alebo či sa v čase nepatrne nemenia.
Zatiaľ sú tieto zariadenia stále laboratórne. Tikajú v kryštáloch veľkých len niekoľko milimetrov a potrebujú náročnú laserovú techniku. Ak sa ich však podarí zmenšiť a spresniť, môžu sa stať základom nových navigačných systémov, gravitačných senzorov a experimentov, ktoré dnes ešte nevieme postaviť.
Atómové hodiny zatiaľ nikam neodchádzajú. No fyzici práve ukázali, že čas sa dá merať aj podľa jadra atómu, nie iba podľa jeho elektrónov. A ak sa tento princíp podarí dotiahnuť, ďalšia hranica presnosti môže ležať práve tam.
