Τα ρολόγια θορίου υστερούν σε σταθερότητα

Τα ρολόγια θορίου μετρούν, αλλά υστερούν έναντι των ατομικών

Ερευνητικές ομάδες στη Βιέννη και στο Πεκίνο κατασκεύασαν τα πρώτα ρολόγια που κρατούν ένα λέιζερ συντονισμένο με μια μετάπτωση στον πυρήνα ατόμου, χρησιμοποιώντας ως σημείο αναφοράς το θόριο-229 (Reuters). Έτσι, μια ιδέα που συζητούνταν επί χρόνια απέκτησε λειτουργική μορφή στο εργαστήριο. Ο φυσικός Κάιλ Μπελόι, από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ, δήλωσε στο Chemical & Engineering News ότι τα πρωτότυπα απέχουν ακόμη «τάξεις μεγέθους» από τα καλύτερα οπτικά ατομικά ρολόγια ως προς την ακρίβεια και τη σταθερότητα (C&EN).

Οι φυσικοί αναζητούν ένα πυρηνικό σημείο αναφοράς επειδή ο πυρήνας αντιδρά σε διαφορετικές δυνάμεις από τα ηλεκτρόνια, στα οποία βασίζονται τα συμβατικά ατομικά ρολόγια. Η σύγκριση των δύο τύπων ρολογιού δίνει έναν νέο τρόπο να ελεγχθεί αν οι νόμοι της φύσης παραμένουν απολύτως σταθεροί.

Πώς ένας κρύσταλλος γίνεται ρολόι

Και οι δύο ομάδες στέλνουν υπεριώδες φως λέιζερ μέσα από κρυστάλλους με πρόσμιξη θορίου-229 και αναζητούν μια ανεπαίσθητη μείωση στην ένταση του φωτός που εξέρχεται (To Brief). Η μείωση εμφανίζεται όταν το λέιζερ φτάσει ακριβώς στη συχνότητα που απορροφούν οι πυρήνες. Οι φυσικοί ονομάζουν αυτό το σημείο συντονισμό.

Το να εντοπίσουν τη μείωση μία φορά είναι εύκολο σε σύγκριση με το να παραμείνουν συντονισμένοι. Γι’ αυτό οι ομάδες ελέγχουν την απορρόφηση λίγο πάνω και λίγο κάτω από την επιλεγμένη συχνότητα. Αν το λέιζερ βρίσκεται ακριβώς στο κέντρο, οι πυρήνες απορροφούν εξίσου και στις δύο πλευρές. Αν η συχνότητά του μετατοπιστεί, η απορρόφηση αυξάνεται στη μία πλευρά· αυτή η διαφορά δείχνει στον ελεγκτή προς ποια κατεύθυνση πρέπει να τη ρυθμίσει.

Φανταστείτε ότι βρίσκεστε σε μια κορυφή μέσα στην ομίχλη. Δεν βλέπετε την κορυφή, αλλά τα βήματα προς τα δεξιά και προς τα αριστερά σάς δείχνουν προς τα πού κατηφορίζει το έδαφος. Οι συνεχείς διορθώσεις είναι αυτές που μετατρέπουν το λέιζερ σε ρολόι.

Τρεις τρόποι με τους οποίους ένα ρολόι μπορεί να υστερεί

Μια ζυγαριά μπάνιου και ένα βαρίδι βαθμονόμησης βοηθούν να ξεχωρίσουμε τρεις έννοιες. Σταθερότητα είναι το πόσο μεταβάλλεται η ένδειξη όσο το βαρίδι μένει στη θέση του. Αναπαραγωγιμότητα είναι το αν η ζυγαριά δείχνει αύριο το ίδιο βάρος. Ακρίβεια είναι το αν η ένδειξη αντιστοιχεί στην πραγματική μάζα του βαριδιού.

Για τη σταθερότητα, οι φυσικοί αναφέρουν έναν «συντελεστή αστάθειας»: πόσο μεταβάλλεται ο ρυθμός του ρολογιού, κατά μέσο όρο, σε βάθος χρόνου. Όσο χαμηλότερη είναι η τιμή, τόσο καλύτερα. Η ομάδα του Πεκίνου ανέφερε 5 × 10⁻¹³ σε καταγραφή διάρκειας 3,8 ωρών (χειρόγραφο της ομάδας του Πεκίνου). Το ρολόι της Βιέννης λειτούργησε χωρίς επίβλεψη για ένα ολόκληρο 24ωρο και έδωσε τιμή 3 × 10⁻¹² (άρθρο της Βιέννης στο Nature).

Για σύγκριση, ένα δημοσιευμένο ατομικό ρολόι ιόντος αλουμινίου φτάνει περίπου τα 3,5 × 10⁻¹⁶ (άρθρο για το ρολόι ιόντος αλουμινίου, καταγραφή του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας). Κάθε μονάδα διαφοράς στον εκθέτη σημαίνει δεκαπλάσια απόκλιση, κάτι που εξηγεί το χάσμα για το οποίο μίλησε ο Μπελόι. Οι δύο ομάδες πυρηνικών ρολογιών χρησιμοποίησαν διαφορετικές διατάξεις και διαφορετικούς χρόνους υπολογισμού του μέσου όρου, επομένως η χαμηλότερη τιμή του Πεκίνου δεν σημαίνει ότι το ρολόι του είναι συνολικά καλύτερο.

Οι αριθμοί αυτοί αφορούν μόνο τις βραχυπρόθεσμες διακυμάνσεις. Καμία ομάδα δεν έχει παρουσιάσει πλήρη προϋπολογισμό αβεβαιότητας, δηλαδή καταγραφή όλων των παραγόντων που θα μπορούσαν να μετατοπίσουν το ρολόι από την πραγματική του συχνότητα. Επομένως, το χάσμα στην ακρίβεια δεν μπορεί ακόμη να μετρηθεί.

Ένας στόχος που δεν μένει ακίνητος

Η μετρούμενη κορυφή απορρόφησης είναι επίσης πλατιά. Η κορυφή που επέλεξε η ομάδα του Πεκίνου είχε εύρος περίπου 27 κιλοχέρτζ (Physics World). Μια πλατιά κορυφή είναι ένας ασαφής στόχος, καθώς δυσκολεύει τον ελεγκτή να εντοπίσει το ακριβές κέντρο της.

Η δεύτερη δυσκολία φάνηκε στη Βιέννη. Η ομάδα μετέφερε την ακτίνα λέιζερ σε πέντε διαφορετικά σημεία του ίδιου κρυστάλλου και διαπίστωσε ότι το κέντρο του συντονισμού μετατοπιζόταν έως και κατά περίπου 1,7 κιλοχέρτζ, ενώ η τυχαία διασπορά των μετρήσεων θα εξηγούσε μόνο περίπου 0,13 κιλοχέρτζ (χειρόγραφο της ομάδας της Βιέννης). Με άλλα λόγια, η συχνότητα αναφοράς που φαινόταν να μετρά το ρολόι άλλαζε ανάλογα με το σημείο όπου έπεφτε η ακτίνα, όπως μια ζυγαριά που δείχνει διαφορετικό βάρος ανάλογα με το πού τοποθετείται το βαρίδι.

Η ομάδα δεν έχει εντοπίσει την αιτία και προτείνει, μεταξύ άλλων, να ακολουθεί η ακτίνα επαναλαμβανόμενη, ακριβώς ίδια διαδρομή. Αυτή η ανομοιομορφία βοηθά να εξηγηθεί γιατί οι μετρήσεις της Βιέννης συμφωνούσαν από μέρα σε μέρα μόνο σε επίπεδο περίπου 5 × 10⁻¹³ (άρθρο της Βιέννης στο Nature), με μικρότερη ακρίβεια από όση υποδηλώνει οποιαδήποτε μεμονωμένη μέτρηση.

Η Βιέννη και το Πεκίνο έδειξαν ότι οι πυρήνες μέσα σε έναν κρύσταλλο μπορούν πράγματι να κατευθύνουν ένα λέιζερ και να το κρατήσουν συντονισμένο για ώρες, ακόμη και για μια ολόκληρη ημέρα. Η μετρούμενη σταθερότητα των ρολογιών τους παραμένει πολύ χαμηλότερη από εκείνη των κορυφαίων οπτικών ρολογιών, ενώ η ακρίβειά τους δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί. Το επίσημο δευτερόλεπτο εξακολουθεί να ορίζεται με βάση το άτομο του καισίου (BIPM). Το επόμενο βήμα είναι συγκεκριμένο: επαναλαμβανόμενες μετρήσεις σε διαφορετικές ημέρες και με διαφορετικές συσκευές, καταγραφή κάθε συστηματικής μετατόπισης και, στη συνέχεια, μακρές παράλληλες συγκρίσεις με οπτικά ρολόγια.