Thoriumure tikker, men halter efter optiske ure

Hold i Wien og Beijing har bygget de første ure, der holder en laser indstillet efter en overgang i en atomkerne. Som reference bruger de thorium-229 (Reuters). Dermed er en idé, fysikere længe har arbejdet med, blevet til fungerende laboratorieudstyr. NIST-fysikeren Kyle Beloy sagde til Chemical & Engineering News, at prototyperne stadig er »flere størrelsesordener fra« de bedste optiske atomure, når det gælder nøjagtighed og stabilitet (C&EN).

Fysikerne vil bruge atomkernen som reference, fordi den påvirkes af andre kræfter end elektronerne, som almindelige atomure bygger på. Ved at sammenligne de to slags ure kan man undersøge, om naturens love virkelig er konstante.

Sådan bliver en krystal til et ur

Begge hold sender ultraviolet laserlys gennem krystaller tilsat thorium-229 og leder efter et svagt fald i det lys, der slipper igennem (To Brief). Faldet opstår, når laseren rammer den præcise frekvens, som kernerne absorberer. Fysikerne kalder dette punkt en resonans.

Det er let nok at finde faldet én gang. Udfordringen er at blive på frekvensen. Derfor måler holdene absorptionen en smule over og under den valgte frekvens. Står laseren præcist i midten, absorberes lige meget lys på begge sider. Driver den, absorberes der mere på den ene side, og forskellen fortæller en styring, hvilken vej laseren skal justeres.

Forestil dig, at du står på en bakketop i tåge. Du kan ikke se toppen, men et skridt til hver side viser, hvilken vej terrænet hælder. De løbende korrektioner gør laseren til et ur.

Tre måder et ur kan komme til kort

En badevægt og et lod kan hjælpe med at skelne mellem tre begreber. Stabilitet handler om, hvor meget vægtens tal svinger, mens loddet ligger stille. Reproducerbarhed handler om, hvorvidt vægten viser det samme tal for det samme lod i morgen. Nøjagtighed handler om, hvorvidt tallet svarer til loddets faktiske vægt.

Når fysikere måler stabilitet, bruger de en »ustabilitetskoefficient«: et mål for, hvor meget urets takt varierer, når man ser på den over tid. Jo lavere tallet er, desto bedre. Beijing-holdet målte 5 × 10⁻¹³ i en måleserie på 3,8 timer (Beijing-manuskript). Uret i Wien kørte uden opsyn i et helt døgn og nåede 3 × 10⁻¹² (Vienna Nature paper).

Til sammenligning har et offentliggjort atomur med aluminiumioner nået cirka 3,5 × 10⁻¹⁶ (aluminium-ion clock paper, NIST record). Hvert trin i eksponenten svarer til en faktor ti. Det er den afstand, Beloy beskriver. De to kerneure brugte forskellige opstillinger og måleperioder, så Beijings lavere tal gør ikke i sig selv uret bedre samlet set.

Tallene viser kun de kortvarige udsving. Ingen af holdene har fremlagt et samlet nøjagtighedsbudget, der gennemgår alle de påvirkninger, som kan trække et ur væk fra den korrekte frekvens. Derfor kan forskellen i nøjagtighed endnu ikke måles.

Et mål, der ikke står stille

Den målte absorptionsspids er også bred. Beijings valgte spids strakte sig over cirka 27 kilohertz (Physics World). En bred spids gør målet upræcist: Styringen får sværere ved at finde det nøjagtige centrum.

Den anden udfordring viste sig i Wien. Holdet flyttede laserstrålen mellem fem steder i den samme krystal og fandt, at resonansens centrum rykkede sig med op til cirka 1,7 kilohertz. Tilfældige udsving i målingerne kunne kun forklare omkring 0,13 kilohertz (Vienna manuscript). Med andre ord ændrede referencefrekvensen sig alt efter, hvor strålen ramte. Det svarer til en vægt, der viser forskellige tal, alt efter hvor loddet ligger.

Holdet har endnu ikke fastslået årsagen. En af løsningerne, det selv foreslår, er at lade laserstrålen følge præcis samme bane hver gang. Ujævnheden er med til at forklare, hvorfor målingerne i Wien kun stemte overens fra dag til dag inden for cirka 5 × 10⁻¹³ (Vienna Nature paper). Det er mindre præcist, end en enkelt måleserie kunne give indtryk af.

Forsøgene i Wien og Beijing viser, at atomkerner i en krystal kan styre en laser og holde den låst i timevis, i Wien endda et helt døgn. Den målte stabilitet ligger stadig langt fra de bedste optiske ure, og nøjagtigheden er endnu ikke vurderet. Cæsiumatomet definerer fortsat det officielle sekund (BIPM). Næste skridt er konkret: Gentagne målinger over flere dage og på tværs af flere ure, en opgørelse over alle systematiske forskydninger og derefter lange sammenligninger direkte med optiske ure.