Thoriumklockor går men vacklar ännu

Den 7 oktober 2026 rapporterade två forskarlag i Nature att de byggt klockor som håller en laser i takt med en atomkärna under drift (studien från Wien, studien från Beijing). Wienprototypen gick i mer än 24 timmar utan att någon behövde ingripa (Wienlagets fulltext, Pro-Physik). Båda klockorna är fortfarande betydligt mindre stabila än de bästa atomuren. De erbjuder en ny typ av referens som kan hjälpa forskare att undersöka om fysikens grundkonstanter förändras.

Tänk dig en sångare som håller en ton mot en stämgaffel. När rösten glider hör sångaren skillnaden och rättar till tonen. Optiska atomur fungerar på liknande sätt: en laser håller takten, och en övergång mellan elektronens energinivåer i en atom fungerar som stämgaffel.

Hos thorium-229 sitter stämgaffeln i stället inne i atomkärnan. När kärnan bestrålas med ultraviolett ljus kring 148 nanometer kan den övergå mellan två tillstånd (PTB:s meddelande). Båda forskarlagen bäddade in thorium i kristaller av kalciumfluorid, ett genomskinligt material som håller atomerna på plats. När lasern har exakt rätt frekvens absorberar kärnorna en liten del av ljuset som passerar genom kristallen.

Den svaga minskningen i ljusstyrka ger klockan en återkopplingssignal. Elektroniken ändrar laserfrekvensen en aning åt båda håll, medan en detektor mäter om ljuset dämpas mer på den ena sidan än på den andra. Då vet styrningen åt vilket håll frekvensen ska flyttas för att åter hamna rätt, ungefär som när sångaren hör om tonen ligger för högt eller för lågt.

År 2024 visade forskare att laserljus över huvud taget kunde utlösa kärnövergången (studien från 2024). Nästa steg, som vi beskrev i onsdags (To Brief), är att hålla återkopplingen igång utan avbrott. Kärnan håller lasern i takt så länge klockan är i drift.

Två laboratorier, två sätt att stabilisera laserstrålen

I Wien delas uppgiften mellan två system. En optisk resonator, ett par speglar vända mot varandra som fångar ljuset och jämnar ut dess variationer, håller laserstrålen stabil från ögonblick till ögonblick. Thoriumsignalen korrigerar sedan den långsamma drift som resonatorn inte kan fånga på egen hand (TU Wien). TU Wien odlade kristallen, medan Tysklands metrologiinstitut PTB byggde den ultravioletta lasern tillsammans med Berlins Max Born Institute (PTB:s forskargrupp).

Beijingteamet, lett av Tsinghua University (Tsinghua), rapporterade ett lägre instabilitetsmått än Wienlaget. Måttet visar hur mycket klockans takt varierar när mätvärden jämnas ut över korta tidsperioder. Ett lägre värde innebär jämnare gång. Beijings värde var 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), mot Wiens 3 × 10⁻¹² (Wienlagets fulltext).

Beijingteamet jämförde också två separat odlade kristaller och fann att deras frekvenser skilde sig med bara 2,8 × 10⁻¹³ i relativa tal (studien från Beijing). Två stämgafflar från olika verkstäder gav nästan samma ton. Det är ett tidigt tecken på att den nukleära referensen går att återskapa.

Fortfarande långt efter atomuren

Jämfört med de bästa klockorna som bygger på elektroner går båda prototyperna betydligt ojämnare. En aluminiumjonklocka vid NIST är så stabil att instabiliteten i Wienprototypen är cirka 8 600 gånger större, och i Beijingprototypen cirka 1 400 gånger större (NIST, NIST:s studie av aluminiumjonklockan).

Wienlaget stötte också på ett besvärligt materialproblem. När forskarna flyttade laserstrålens bana genom kristallen ändrades den uppmätta frekvensen med upp till cirka 1,7 kilohertz, mer än mätbruset kan förklara. Förändringen beror sannolikt på spänningar och defekter i kristallen (Wienlagets fulltext). Forskarna behöver undersöka om bättre odlade kristaller och noggrannare kontroll av strålens väg kan minska förskjutningen.

Varför fortsätta med en klocka som ligger så långt efter? Genom att jämföra klockor som bygger på olika fysik kan forskare använda dem som en detektor. Wienlaget körde sin klocka parallellt med en ytterbiumjonklocka vid Österrikes metrologiinstitut BEV. Den fungerade enbart som referens och ingick inte i återkopplingsslingan. Forskarna menar att kärnövergången skulle reagera annorlunda än elektronbaserade klockor om naturkonstanterna förändrades (studien från Wien).

Vissa modeller för mörk materia förutsäger just sådana förändringar, som skulle märkas som en långsam rytmisk svängning. Wienlaget sökte efter sådana svängningar i jämförelsen, men ingen signal passerade detektionsgränsen. Resultatet sätter en övre gräns för hur stark effekten kan vara, men är ingen upptäckt.

Sekunden definieras fortfarande officiellt med hjälp av cesiumatomer, och prototyperna ändrar inte den definitionen (BIPM). Wien har visat att en atomkärna kan hålla en laser i takt i mer än ett dygn, och Beijing att två kristaller kan ge nästan samma frekvens. Nästa steg är att kristallodlare och laserbyggare får frekvensen att hålla sig lika från prov till prov, så att den kan användas för att pröva fysikens lagar med större precision.