Tooriumkellad töötavad, kuid jäävad aatomkelladest maha

Viini ja Pekingi töörühmad on ehitanud esimesed kellad, mille laser püsib häälestatuna aatomituumas toorium-229 abil mõõdetavale üleminekule (Reuters). Nii on kauaaegsest ideest saanud töötav laboriseade. USA riikliku standardite ja tehnoloogia instituudi füüsik Kyle Beloy ütles väljaandele Chemical & Engineering News, et prototüüpide täpsus ja stabiilsus jäävad parimatele optilistele aatomkelladele endiselt suurusjärkude võrra alla (C&EN).

Füüsikud tahavad kasutada aatomituuma võrdlusena, sest tuum reageerib teistsugustele jõududele kui elektronid, millel põhinevad tavalised aatomkellad. Kaht liiki kella kõrvutades saab kontrollida, kas loodusseadused püsivad ajas muutumatuna.

Kuidas kristallist saab kell

Mõlemad töörühmad suunavad ultraviolettlaseri läbi toorium-229 aatomitega rikastatud kristalli ja otsivad väljuvas valguses nõrka neeldumislohu (To Brief). Lohu tekitab sagedus, mille tuumad täpselt neelavad. Füüsikud nimetavad seda resonantsiks.

Lohu leidmine on lihtsam kui laserit sellel hoidmine. Seepärast mõõdavad töörühmad neeldumist ka valitud sagedusest veidi kõrgemal ja madalamal. Kui laser on täpselt keskel, neelavad mõlemad pooled sama palju. Kui sagedus triivib, neelab üks pool rohkem ning see erinevus näitab juhtseadmele, mis suunas laserit häälestada.

Kujutle end udusel mäetipul. Tippu ei näe, kuid samm vasakule ja samm paremale näitavad, kummas suunas maapind langeb. Laseri pidev korrigeerimine teeb sellest kella.

Kolm viisi, kuidas kell võib eksida

Kolme omaduse eristamiseks sobivad vannitoakaal ja kalibreerimisviht. Stabiilsus näitab, kui vähe näit raskuse paigal olles kõigub. Korratavus näitab, kas sama raskus annab homme sama näidu. Täpsus näitab, kas näit vastab raskuse tegelikule massile.

Stabiilsust väljendatakse „ebastabiilsusteguriga“: see näitab, kui palju kella käigusagedus ajas keskmistatuna kõigub. Väiksem arv on parem. Pekingi töörühm teatas 3,8-tunnise mõõtmise põhjal näidust 5 × 10⁻¹³ (Pekingi käsikiri). Viini kell töötas järelevalveta terve päeva ning töörühm teatas näidust 3 × 10⁻¹² (Viini Nature’i artikkel).

Võrdluseks: avaldatud alumiiniumiooni aatomkella näit on umbes 3,5 × 10⁻¹⁶ (alumiiniumioon-kella artikkel, NISTi andmed). Eksponendi iga aste tähendab kümnekordset erinevust. Sellest suurusjärgu vahest Beloy rääkiski. Pekingi ja Viini kellad töötasid eri seadistustes ja eri pikkusega mõõteperioodidel, seega ei tee Pekingi väiksem näit sellest automaatselt paremat kella.

Need arvud näitavad ainult lühiajalist kõikumist. Kumbki töörühm pole esitanud täielikku täpsuse veaarvestust ehk hinnangut kõigile teguritele, mis võivad kella õigelt sageduselt kõrvale kallutada. Seetõttu ei saa täpsuse erinevust praegu arvuliselt väljendada.

Sihtmärk ei püsi paigal

Mõõdetud neeldumispiik on lai. Pekingis valitud piigi laius oli umbes 27 kilohertsi (Physics World). Lai piik muudab sihtmärgi häguseks: juhtseadmel on raskem leida selle täpset keskpunkti.

Teine probleem ilmnes Viinis. Töörühm liigutas laserkiirt kristalli sees viie punkti vahel ja leidis, et resonantsi keskpunkt nihkus kuni umbes 1,7 kilohertsi. Mõõtmiste juhuslik hajuvus selgitaks sellest vaid umbes 0,13 kilohertsi (Viini käsikiri). Teisisõnu sõltus näiv võrdlussagedus sellest, kuhu kiir kristallil langes. See meenutab kaalu, mis näitab erinevalt sõltuvalt sellest, kuhu raskus asetada.

Töörühm pole nihke põhjust kindlaks teinud. Ühe võimaliku lahendusena pakub ta välja laserkiire liikumistee täpse kordamise. Ebaühtlus aitab selgitada, miks Viini mõõtmiste sagedused langesid eri päevadel kokku vaid täpsusega umbes 5 × 10⁻¹³ (Viini Nature’i artikkel). See on ebatäpsem tulemus, kui ükski mõõtmiskord eraldi näitas.

Viin ja Peking on näidanud, et kristallis olevad tuumad saavad laserit juhtida ja selle tundideks, Viinis isegi terveks päevaks, sagedusel hoida. Mõõdetud stabiilsus jääb juhtivatele optilistele kelladele kaugele alla ning täpsust pole veel hinnatud. Ametliku sekundi määrab endiselt tseesiumiaatom (BIPM). Järgmine samm on teha mõõtmisi eri päevadel ja eri seadmetega, arvestada iga süstemaatilise nihkega ning võrrelda tulemusi pikema aja jooksul optiliste kelladega.