Torijeva jedra uravnavajo laser, kristali ga motijo

Prvič laserjevo frekvenco neprekinjeno uravnava jedro atoma namesto njegovih elektronov. Takšni uri sta izdelali ekipi na Dunaju in v Pekingu, o njiju pa so 7. oktobra poročali v reviji Nature (Reuters). Jedro torija zdaj sproti popravlja frekvenco laserja, kar fizikom daje novo merilno orodje. Toda drobni premiki frekvence, ki jih povzročajo kristali, v katerih je torij pritrjen, za zdaj preprečujejo zanesljivo merjenje časa.

Vsaka ura temelji na ritmu in popravkih. Nihalo niha, urar pa ga naravna, ko začne prehitevati ali zaostajati. Pri atomski uri popravke namesto človeka opravlja fizika: laser neprekinjeno primerjajo s prehodom med dvema energijskima stanjema, pri katerem atom vsrka svetlobo z značilno frekvenco. Ta frekvenca je izjemno stalna, vendar jo lahko okolica atoma nekoliko spremeni.

V običajnih atomskih urah prehod opravi elektron. Torij-229 je poseben, ker ima prehod v jedru, ki ga lahko vzbudi ultravijolična laserska svetloba, medtem ko večina jedrskih prehodov zahteva precej energičnejše sevanje. Jedra so tudi zelo majhna, zato naj bi jih moteča električna in magnetna polja načeloma manj vplivala kot na elektronske oblake okoli njih (Physics World).

Kako jedro prevzame krmilo

Obe ekipi sta torij-229 vgradili v majhne kristale kalcijevega fluorida in skoznje usmerili ozek ultravijolični laserski žarek. Pri pravi frekvenci jedra vsrkajo nekoliko več svetlobe. Krmilni sistem izmeri odziv na obeh straneh vrha absorpcije, ugotovi, na kateri strani je frekvenca laserja, in jo potisne nazaj proti sredini (dunajska raziskava v reviji Nature, kitajska raziskava v reviji Nature).

Podobno deluje sistem za ohranjanje voznega pasu v avtomobilu. Kamera zazna talne oznake, sistem pa z majhnimi popravki volana poskrbi, da avto ostane med njimi. Pri uri vlogo kamere opravlja signal absorpcije, krmilnik laserja pa obrača volan.

Novost je povratna zanka, ki omogoča sprotne popravke. Že leta 2024 so raziskovalci z lasersko svetlobo vzbudili ta prehod (Physical Review Letters). Takrat so signal navadno zaznavali prek počasnega sijanja vzbujenih jeder, ki se pojavi prepozno za sprotno uravnavanje laserja. Enkrat ujeti radijsko postajo ni isto kot ostati uglašen nanjo; neposredno merjenje absorpcije pa je dovolj hitro za drugo.

Skupini sta do rešitve prišli neodvisno. TU Wien svojo napravo opisuje kot samostabilizirajočo se jedrsko uro (TU Wien), kitajsko raziskavo pa je vodila Tsinghua University (Tsinghua). Dve neodvisni izvedbi iste zamisli sta prepričljivejši dokaz kot ena sama.

Stabilna, a še ne točna

Raziskovalci pri urah ločujejo dve lastnosti. Stabilnost pove, kako enakomerno ura tiktaka iz trenutka v trenutek; po tem merilu prototipa še ne dosegata ravni uveljavljenih optičnih atomskih ur. Točnost pove, ali ura teče pri napačni frekvenci, kot bi ročna ura, ki tiktaka povsem enakomerno, a kaže čas pet minut prehitro.

Pri točnosti težavo povzroča kristal. Vsako jedro torija leži v svojem delu kristala, lokalne napetosti ali napake v kristalni strukturi pa lahko premaknejo njegovo značilno frekvenco, zato je odčitek lahko odvisen od tega, kje skozi kristal potuje laser. Ekipa v Pekingu je našla spodbuden znak: frekvenci dveh ločeno vzgojenih kristalov sta se dobro ujemali (kitajska raziskava v reviji Nature). Nobena od ekip še ni celovito popisala vseh učinkov, ki bi lahko pristransko premaknili frekvenco.

Iskanje temne snovi

Tudi kot nepopolna ura je naprava za fizike že uporabna. Nekatere teorije predvidevajo, da bi temna snov, nevidna snov, ki sestavlja večino mase vesolja, lahko rahlo in v ritmu vplivala na sile, ki določajo te frekvence. Jedrsko uro in uro, ki temelji na elektronih, bi tak vpliv dosegel različno, zato bi se razmerje med njunima frekvencama spreminjalo v pravilnem ritmu.

Dunajska ekipa je torijevo uro primerjala z običajno atomsko uro in iskala prav tak ritem. Ni ga zaznala; avtorji pravijo, da s tem izključujejo nekatere konkretne modele temne snovi, ne pa temne snovi na splošno (dunajska raziskava v reviji Nature).

Uradna definicija sekunde še vedno temelji na atomih cezija (BIPM), prototipa pa je v bližnji prihodnosti ne bosta spremenila. Pokazala sta, da lahko jedro uravnava delujočo uro. Zanesljivo merjenje časa je zdaj odvisno od kristalov, ki bodo torij držali na mestu, ne da bi mu premaknili frekvenco. To težavo lahko rešita prav skupini, ki kristale pripravljata na Dunaju in v Pekingu.