Jádra thoria řídí hodiny, krystaly je rozlaďují

Týmy ve Vídni a Pekingu poprvé stabilizovaly frekvenci laseru pomocí jádra atomu, nikoli jeho elektronů. Výsledky popsaly 7. října v časopise Nature (Reuters). Laser se průběžně dolaďuje podle odezvy jádra thoria, což fyzikům dává nový nástroj. Drobné posuny frekvence způsobené krystaly, v nichž je thorium upevněné, však zatím brání tomu, aby šlo o spolehlivý časoměr.

Každé hodiny potřebují pravidelný rytmus a způsob, jak napravit jeho odchylky. Když se kyvadlo začne zpožďovat nebo předbíhat, zasáhne hodinář. U atomových hodin přebírá korekci fyzika: laser se průběžně porovnává s přechodem mezi dvěma energetickými stavy. Při něm atom pohlcuje světlo o určité frekvenci. Tato frekvence je mimořádně stálá, prostředí atomu ji však může mírně posunout.

V běžných atomových hodinách přechází mezi stavy elektron. Thorium-229 je výjimečné tím, že jeho jádro má přechod, který lze vybudit ultrafialovým laserem. Většina jaderných přechodů vyžaduje mnohem energetičtější záření. Jádra jsou navíc velmi malá, a proto by je v principu měla méně ovlivňovat cizí elektrická a magnetická pole než elektronové obaly (Physics World).

Jak jádro přebírá řízení

Oba týmy vložily thorium-229 do drobných krystalů fluoridu vápenatého a prosvítily je úzkopásmovým ultrafialovým laserem. Při správné frekvenci jádra pohltí o něco více světla. Řídicí systém laser nepatrně rozlaďuje na obě strany absorpčního maxima, zjišťuje, na které straně se nachází, a vrací jeho frekvenci ke středu (vídeňská studie v Nature, čínská studie v Nature).

Podobně funguje systém, který v autě hlídá jízdu v pruhu. Kamera snímá vodorovné značení a systém drobnými zásahy do řízení udržuje auto mezi čarami. U hodin plní roli kamery signál pohlceného světla a frekvenční řízení laseru otáčí pomyslným volantem.

Novinkou je právě tato zpětná vazba. Už v roce 2024 experimenty ukázaly, že lze jaderný přechod vybudit laserem (Physical Review Letters). Signál se tehdy obvykle zjišťoval z pomalého dosvitu excitovaných jader, který přichází příliš pozdě na průběžnou korekci laseru. Jednou najít rozhlasovou stanici je něco jiného než na ní zůstat naladěný. Přímá absorpce je pro druhý úkol dost rychlá.

Obě skupiny dospěly k řešení nezávisle na sobě. TU Wien popisuje své zařízení jako samostabilizující se jaderné hodiny (TU Wien), na čínském projektu vedla práci Tsinghua University (Tsinghua). Dvě nezávislá uskutečnění stejné myšlenky jsou přesvědčivější než jedno.

Stabilní, ale zatím ne přesné

U hodin se posuzují dvě různé vlastnosti. Stabilita vyjadřuje, jak pravidelně hodiny tikají v krátkém čase. V tomto ohledu zatím ani jeden prototyp nedosahuje úrovně zavedených optických atomových hodin. Přesnost ukazuje, zda hodiny neběží na nesprávné frekvenci: mohou tikat dokonale pravidelně, a přitom se předcházet o pět minut.

Právě přesnost komplikuje krystal. Každé jádro thoria leží v jiném místě krystalu a místní pnutí nebo vady mohou jeho charakteristickou frekvenci posunout. Naměřená hodnota tak může záviset na tom, kudy laser krystalem prochází. Tým z Pekingu zaznamenal povzbudivý výsledek: frekvence ve dvou samostatně vypěstovaných krystalech si byly blízké (čínská studie v Nature). Ani jeden tým zatím nepředložil úplný přehled všech vlivů, které by mohly frekvenci zkreslit.

Hledání temné hmoty

I jako nedokonalé hodiny už zařízení fyzikům slouží. Některé teorie předpokládají, že temná hmota, neviditelná složka tvořící většinu hmoty ve vesmíru, může jemně a pravidelně ovlivňovat síly, které určují frekvence. Jaderné hodiny a hodiny založené na elektronech by na takový vliv reagovaly různě, takže poměr jejich frekvencí by pravidelně kolísal.

Vídeňský tým provozoval thoriumové hodiny souběžně s běžnými atomovými hodinami a hledal právě takové kolísání. Žádné nenašel. Autoři uvádějí, že výsledek vylučuje některé konkrétní modely temné hmoty, nikoli temnou hmotu jako takovou (vídeňská studie v Nature).

Oficiální definice sekundy se stále opírá o atomy cesia (BIPM) a tyto prototypy ji v dohledné době nezmění. Ukázaly však, že jádro dokáže řídit běžící hodiny. K jejich spolehlivému využití bude potřeba krystal, který thorium udrží, aniž by posouval jeho frekvenci. Tuto potíž mohou nejlépe řešit právě týmy, které krystaly připravují ve Vídni a Pekingu.