Ториевите часовници изостават по стабилност

Екипи във Виена и Пекин създадоха първите часовници, които задържат лазер настроен към преход в атомно ядро, използвайки торий-229 за еталон (Reuters). Така дългогодишна идея вече има работещи лабораторни прототипи. Физикът от NIST Кайл Белой казва пред Chemical & Engineering News, че по точност и стабилност те остават „на няколко порядъка разстояние“ от най-добрите оптични атомни часовници (C&EN).

Физиците търсят ядрен еталон, защото ядрото реагира на сили, различни от онези, които въздействат на електроните в обикновените атомни часовници. Сравнението между двата типа часовници дава нов начин да се провери дали законите на природата остават неизменни.

Как кристалът се превръща в часовник

И двата екипа пропускат ултравиолетова лазерна светлина през кристали, в които е добавен торий-229, и търсят слабо понижение в излизащата светлина (To Brief). То се появява, когато лазерът достигне точната честота, която ядрата поглъщат. Физиците наричат тази честота резонанс.

Да намериш това понижение веднъж е по-лесно, отколкото да задържиш лазера на същата честота. Затова екипите проверяват поглъщането малко над и малко под нея. Ако лазерът е точно в центъра, от двете страни се поглъща еднакво количество светлина. Ако честотата му се отклони, от едната страна поглъщането става по-силно и тази разлика показва на системата за управление накъде да го настрои.

Представете си, че стоите на хълм в мъгла. Не виждате върха, но стъпка наляво и стъпка надясно ви показват накъде теренът се издига. Постоянните корекции превръщат лазера в часовник.

Три начина, по които часовникът може да не е точен

Кантар и еталонна тежест помагат да се разграничат три понятия. Стабилността показва колко се колебае показанието, докато тежестта стои на кантара. Възпроизводимостта показва дали утре кантарът ще отчете същото число за същата тежест. Точността показва дали числото отговаря на истинската ѝ маса.

За стабилността физиците използват „коефициент на нестабилност“: колко се отклонява ходът на часовника при осредняване за определен период. Колкото по-ниска е стойността, толкова по-добре. Пекинският екип отчита 5 × 10⁻¹³ за период от 3,8 часа (ръкопис на екипа от Пекин). Часовникът във Виена е работил без надзор цял ден, като отчетената стойност е 3 × 10⁻¹² (статията на екипа от Виена в Nature).

За сравнение, публикувани данни за часовник с алуминиев йон показват стойност около 3,5 × 10⁻¹⁶ (публикация за часовника с алуминиев йон, данни на NIST). Всяка стъпка в показателя на степен означава десетократна разлика — това е разликата, за която говори Белой. Двата екипа са използвали различни конфигурации и периоди на осредняване, затова по-ниската стойност от Пекин не означава, че часовникът там е по-добър като цяло.

Тези числа показват само краткосрочните колебания. Нито един от екипите още не е представил пълен разчет на точността — оценка на всички фактори, които могат да отклонят часовника от истинската му честота. Затова разликата в точността все още не може да се измери с числа.

Еталон, който не стои на едно място

Измереният пик на поглъщане също е широк. Пикът, избран от екипа в Пекин, е бил около 27 килохерца (Physics World). Широкият пик прави целта неясна и затруднява системата за управление да намери точния му център.

Втората трудност се появила във Виена. Екипът преместил лазерния лъч между пет места в един и същ кристал и установил, че центърът на резонанса се измества с до около 1,7 килохерца. Случайните колебания в измерването обяснявали само около 0,13 килохерца от това изместване (ръкопис на екипа от Виена). С други думи, привидната еталонна честота се променяла според мястото, където попада лъчът — като кантар, който показва различно според това къде поставите тежестта.

Екипът още не е установил причината. Сред предложените решения е лазерният лъч да следва напълно повторяем път. Нееднородността помага да се обясни защо измерванията на честотата във Виена в различни дни съвпадат само до около 5 × 10⁻¹³ (статията на екипа от Виена в Nature) — по-грубо, отколкото подсказва едно отделно измерване.

Екипите във Виена и Пекин показаха, че ядра в кристал могат да насочват лазер и да го задържат в резонанс с часове, а във Виена — цял ден. Измерената им стабилност остава далеч зад тази на водещите оптични часовници, а точността им още не е оценена. Цезиевият атом продължава да определя официалната секунда (BIPM). Следващата стъпка е конкретна: повторни измервания през различни дни и на различни устройства, с отчетено влияние на всеки систематичен фактор, а след това — продължителни паралелни сравнения с оптични часовници.