Thoriové hodiny běží, atomové je předbíhají

Po letech úvah vznikly ve Vídni a Pekingu první hodiny, které udržují laser naladěný na přechod uvnitř atomového jádra. Jako referenci používají thorium-229 (Reuters). Fyzik Kyle Beloy z NIST řekl časopisu Chemical & Engineering News, že přesností i stabilitou prototypy stále zaostávají za nejlepšími optickými atomovými hodinami o několik řádů (C&EN).

Fyziky zajímá jaderná reference, protože jádro reaguje na jiné síly než elektrony, o které se opírají běžné atomové hodiny. Srovnání obou typů hodin otevírá nový způsob, jak ověřit, zda se zákony přírody v čase nemění.

Jak se z krystalu stávají hodiny

Oba týmy posílají ultrafialové laserové světlo přes krystaly s příměsí thoria-229 a sledují, zda na výstupu nepatrně nepoklesne jeho intenzita (To Brief). K poklesu dochází, když laser dosáhne přesně takové frekvence, kterou jádra pohlcují. Fyzikové tomuto bodu říkají rezonance.

Najít pokles je snazší než udržet laser na jeho přesném místě. Týmy proto kontrolují pohlcování těsně nad zvolenou frekvencí a pod ní. Když laser míří přesně na střed, pohlcování je na obou stranách stejné. Jakmile se frekvence odchýlí, jedna strana pohltí více světla a rozdíl řídicímu systému napoví, kterým směrem laser znovu naladit.

Je to podobné, jako stát v mlze na vrcholu kopce. Vrchol nevidíte, ale krok doleva a krok doprava ukážou, na kterou stranu se terén svažuje. Průběžné korekce tak promění laser v hodiny.

Tři způsoby, jak mohou hodiny zaostávat

Rozdíl mezi třemi vlastnostmi hodin lze ukázat na osobní váze a ověřovacím závaží. Stabilita říká, jak moc údaj kolísá, když závaží leží na váze. Reprodukovatelnost ukazuje, zda váha zítra naměří stejnou hodnotu. Přesnost pak říká, zda naměřené číslo odpovídá skutečné hmotnosti závaží.

Stabilitu fyzikové vyjadřují „koeficientem nestability“: udává, jak moc se v čase mění rychlost tikání, zprůměrovaná za určité období. Čím nižší číslo, tím lépe. Tým v Pekingu naměřil 5 × 10⁻¹³ během záznamu dlouhého 3,8 hodiny (rukopis týmu z Pekingu). Vídeňské hodiny běžely bez obsluhy celý den a dosáhly hodnoty 3 × 10⁻¹² (článek ve Vienna Nature).

Pro srovnání, publikované atomové hodiny využívající ion hliníku dosahují přibližně 3,5 × 10⁻¹⁶ (článek o hodinách s iontem hliníku, záznam NIST). Rozdíl o jeden řád znamená desetinásobek; právě tak velkou mezeru popisuje Beloy. Oba jaderné týmy použily jiné sestavy a různě dlouhé měření, takže nižší číslo z Pekingu samo o sobě neznamená, že tamní hodiny jsou celkově lepší.

Uvedené hodnoty zachycují jen krátkodobé kolísání. Ani jeden tým zatím nepředložil úplný rozpočet přesnosti, tedy přehled všech vlivů, které mohou hodiny odchýlit od jejich skutečné frekvence. Velikost rozdílu v přesnosti proto zatím nelze vyčíslit.

Cíl, který se stále posouvá

Naměřený absorpční vrchol je navíc široký. Vybraný vrchol v Pekingu měl šířku přibližně 27 kilohertzů (Physics World). Široký vrchol znamená méně přesný cíl: řídicí systém obtížněji určuje jeho přesný střed.

Další potíž se ukázala ve Vídni. Tým nasměroval laserový paprsek na pět různých míst v témže krystalu a zjistil, že se střed rezonance posouvá až o 1,7 kilohertzu. Náhodný rozptyl měření by přitom vysvětlil jen asi 0,13 kilohertzu (rukopis týmu z Vídně). Zdánlivá referenční frekvence se tedy měnila podle toho, kam paprsek dopadl, podobně jako když váha ukazuje jiné číslo podle místa, kam položíme závaží.

Příčinu tým zatím neurčil. Mezi navržená řešení patří vedení paprsku po dráze, kterou lze přesně zopakovat. Nerovnoměrnost pomáhá vysvětlit, proč se frekvence naměřené ve Vídni v různých dnech shodovaly jen přibližně na úrovni 5 × 10⁻¹³ (článek ve Vienna Nature). To je méně přesná shoda, než by naznačoval kterýkoli jednotlivý běh měření.

Týmy z Vídně a Pekingu ukázaly, že jádra v krystalu dokážou řídit laser a udržet ho na zvolené frekvenci celé hodiny, ve Vídni dokonce celý den. Naměřenou stabilitou však jaderné hodiny za nejlepšími optickými hodinami výrazně zaostávají a jejich přesnost zatím nikdo nevyhodnotil. Oficiální sekundu stále definuje atom cesia (BIPM). Dalším konkrétním krokem jsou opakovaná měření v různých dnech a na různých přístrojích, zohlednění všech systematických posunů a dlouhá přímá srovnání s optickými hodinami.