Thoriumkerner styrer ure, krystaller skævvrider dem

For første gang bliver en lasers frekvens stabiliseret af en atomkerne i stedet for atomets elektroner. Det sker i ure, som forskerhold i Wien og Beijing har bygget, og som blev beskrevet i Nature den 7. oktober (Reuters). Thoriumkernen korrigerer nu løbende laserens frekvens og giver fysikerne et nyt måleinstrument. Men små frekvensskift fra krystallerne, der holder thoriumet på plads, betyder, at urene endnu ikke kan måle tiden pålideligt.

Ethvert ur bygger på en rytme og en korrektion. Et pendul svinger, og urmageren justerer det, når det går forkert. I et atomur overlader man justeringen til fysikken: En laser holdes løbende op mod en overgang, altså et spring mellem to energitilstande, hvor atomet optager lys ved en bestemt frekvens. Frekvensen er meget stabil, men atomets omgivelser kan forskyde den en smule.

I traditionelle atomure foretager en elektron springet. Thorium-229 er usædvanligt, fordi dets kerne rummer en overgang, som ultraviolet laserlys kan nå. De fleste kernespring kræver langt mere energirig stråling. Kerner er også meget små, så de burde i princippet blive mindre påvirket af uønskede elektriske og magnetiske felter end elektronskyerne omkring dem (Physics World).

Når atomkernen tager styringen

Begge forskerhold indlejrede thorium-229 i små calciumfluoridkrystaller og sendte en smalbåndet ultraviolet laser gennem dem. Ved den helt rigtige frekvens optager kernerne en smule mere lys. Et styresystem skubber laserens frekvens til hver side af absorptionsmaksimum, registrerer hvilken side den ligger på og fører den tilbage mod midten (Vienna Nature paper, Chinese Nature paper).

Det fungerer som en bils vognbaneassistent. Et kamera registrerer vejstriberne, og systemet korrigerer styringen lidt ad gangen, så bilen bliver mellem dem. I uret fungerer absorptionssignalet som kameraet, mens laserens styresystem drejer på rattet.

Det nye er denne feedbacksløjfe. Allerede i 2024 havde forskere fået laserlys til at fremkalde overgangen (Physical Review Letters). Dengang blev signalet typisk målt gennem den langsomme efterglød fra exciterede kerner, som kommer for sent til at korrigere laserens frekvens fra øjeblik til øjeblik. At finde en radiostation én gang er noget andet end at holde indstillingen; direkte absorption er hurtig nok til det sidste.

De to grupper nåede frem til løsningen hver for sig. TU Wien beskriver sit apparat som et selvstabiliserende kerneur (TU Wien), mens det kinesiske arbejde blev ledet fra Tsinghua University (Tsinghua). To uafhængige forsøg med samme idé giver et stærkere belæg end ét.

Stabilt, men endnu ikke præcist

Urforskere skelner mellem to egenskaber. Stabilitet handler om, hvor jævnt et ur går fra øjeblik til øjeblik. På det punkt kan ingen af prototyperne endnu måle sig med de etablerede optiske atomure. Nøjagtighed handler om, hvorvidt uret systematisk går forkert, som et ur der tikker helt jævnt, men er stillet fem minutter for hurtigt.

Det er nøjagtigheden, krystallerne udfordrer. Hver thoriumkerne sidder i sit eget lille område af krystallen, hvor lokale spændinger eller fejl kan forskyde dens karakteristiske frekvens. Derfor kan målingen afhænge af, hvor laserstrålen rammer. Beijing-holdet fandt dog et lovende tegn: To krystaller, der var dyrket hver for sig, gav næsten samme frekvens (Chinese Nature paper). Ingen af holdene har endnu gjort fuldt rede for alle de forhold, der kan skævvride frekvensen.

På jagt efter mørkt stof

Selv som ufuldkomment ur kan apparatet allerede bruges i fysikken. Nogle teorier foreslår, at mørkt stof, det usynlige stof, som udgør det meste af universets masse, kan påvirke de kræfter, der bestemmer frekvenserne, svagt og rytmisk. Et kerneur og et ur baseret på elektroner ville blive påvirket forskelligt. Forholdet mellem deres tikken ville derfor stige og falde i en regelmæssig takt.

Wien-holdet lod sit thoriumur gå samtidig med et almindeligt atomur og ledte efter netop sådan en takt. Forskerne fandt den ikke. Ifølge artiklen udelukker resultatet nogle bestemte modeller for mørkt stof, men ikke mørkt stof som helhed (Vienna Nature paper).

Den officielle definition af sekundet bygger stadig på cæsiumatomer (BIPM), og prototyperne ændrer næppe på det foreløbig. De har vist, at en atomkerne kan styre et ur, mens det går. Skal det blive til pålidelig tidsmåling, kræver det krystaller, der holder thoriumet fast uden at trække frekvensen skæv. Den opgave har forskerne i Wien og Beijing gode forudsætninger for at løse.