Viini tuumakell töötab, kuid kõigub

Kaks uurimisrühma avaldasid 7. oktoobril 2026 ajakirjas Nature tulemused kellade kohta, mis hoiavad töötades laserit aatomituuma siirde sagedusel (Viini artikkel, Pekingi artikkel). Viini prototüüp töötas sekkumiseta üle 24 tunni (Viini täistekst, Pro-Physik). Mõlemad kellad kõiguvad endiselt palju rohkem kui parimad aatomkellad. Nende väärtus seisneb uues võrdlusaluses, millega saab uurida, kas füüsika põhikonstandid ajas muutuvad.

Kujutame ette lauljat, kes hoiab nooti häälestushargi järgi. Kui hääl paigast läheb, kuuleb ta erinevust ja korrigeerib seda. Optiline aatomkell töötab samal põhimõttel: laser annab rütmi, aatomi elektronide energiatasemete vaheline siire aga toimib häälestushargina.

Toorium-229 tuum saab ultraviolettvalguse toimel minna ühest olekust teise, kui valguse lainepikkus on ligikaudu 148 nanomeetrit (PTB teade). Mõlemad töörühmad paigutasid tooriumi kaltsiumfluoriidi kristallidesse. Läbipaistev kristall hoiab aatomeid paigal. Kui laser on õige sagedusega, neelavad tuumad osa läbivast valgusest.

See nõrk valguse vähenemine annab kellale tagasisidesignaali. Elektroonika nihutab laserisagedust veidi kord üles-, kord allapoole ning detektor mõõdab, kummas asendis valgus rohkem nõrgeneb. Nii saab juhtsüsteem teada, mis suunas laserit õige sageduse poole tagasi nihutada, nagu laulja kuuleb, kas ta laulab noodist kõrgemalt või madalamalt.

2024. aastal näitasid teadlased, et laser suudab tuumas sellise siirde üldse esile kutsuda (2024. aasta ergastamisuuring). Uus samm, millest kirjutasime kolmapäeval (To Brief), on pidevalt töötav tagasisideahel. Tuum hoiab laserit häälestatuna kogu kella tööaja.

Kaks laborit, kaks viisi laserit stabiilsena hoida

Viini kell jagab töö kahe seadme vahel. Kahe vastastikku asuva peegliga optiline resonaator hoiab laserisageduse lühiajaliselt stabiilsena. Tooriumi signaal korrigeerib aeglasemat triivi, mida resonaator üksi ei suuda märgata (TU Wien). Kristalli kasvatas TU Wien. Ultraviolettlaseri ehitasid Saksamaa metroloogiainstituut PTB ja Berliini Max Borni instituut (PTB uurimisrühm).

Tsinghua ülikooli juhitud Pekingi töörühm teatas väiksemast ebastabiilsuse näidust kui Viini rühm. See näitab, kui palju kella sagedus lühikese keskmistamisaja jooksul kõigub. Mida väiksem näit, seda stabiilsem kell. Pekingi näit oli 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), Viini oma 3 × 10⁻¹² (Viini täistekst).

Pekingi töörühm võrdles ka kahes eraldi kasvatatud kristallis mõõdetud sagedusi. Nende suhteline erinevus oli vaid 2,8 × 10⁻¹³ (Pekingi artikkel). Nagu eri töökodades valmistatud häälestushargid, andsid kristallid peaaegu sama noodi. See on esialgne märk, et tuumsiire võib olla korratav võrdlusalus.

Aatomkelladest jäävad need endiselt kaugele

Parimate elektronidel põhinevate kellade kõrval kõiguvad mõlemad prototüübid palju rohkem. NISTi alumiiniumiooni kell on nii stabiilne, et Viini kella kõikumine on umbes 8600 korda suurem ja Pekingi oma umbes 1400 korda suurem (NIST, NISTi alumiiniumiooni kellauuring).

Viini rühm põrkus ka materjaliprobleemiga. Kui laserikiire teekonda kristallis muudeti, nihkus mõõdetud sagedus kuni umbes 1,7 kilohertsi võrra. Mõõtemüra seda ei selgita; tõenäoliselt põhjustavad nihet kristalli pinged ja vead (Viini täistekst). Järgmisena tuleb kontrollida, kas paremini kasvatatud kristallid ja laserikiire täpsem suunamine vähendavad seda nihet.

Miks jätkata kellaga, mis jääb nii palju aatomkelladest maha? Erinevatel füüsikalistel põhimõtetel töötavate kellade võrdlus võib paljastada, kas looduse põhikonstandid muutuvad. Viini töörühm võrdles oma kella Austria metroloogiaametis BEV-is asuva ütterbiumiooni kellaga, mida kasutati üksnes võrdluseks ja mis ei osalenud tuumakella juhtimises. Töörühma hinnangul reageeriks tuumsiire põhikonstantide muutumisele teisiti kui elektronidel põhinevate kellade siirded (Viini artikkel).

Mõned tumeaine mudelid ennustavadki selliseid muutusi, mis avalduksid aeglase rütmilise kõikumisena. Viini töörühm otsis kellade võrdlusest seda laadi kõikumisi, kuid ükski signaal ei ületanud avastamispiiri. Tulemus seab selliste mõjude tugevusele ülempiiri, mitte ei tõenda nende olemasolu.

Sekundi ametlik SI-definitsioon põhineb endiselt tseesiumiaatomil ja need prototüübid seda ei muuda (BIPM). Viini rühm näitas, et tuum suudab hoida laserit häälestatuna terve päeva; Peking näitas, et kahe kristalli sagedused võivad peaaegu kattuda. Nüüd peavad kristallide kasvatajad ja laseri ehitajad leidma viisi, kuidas saada eri proovides tuumalt sama sagedus. See võimaldaks kasutada tuumkella füüsikaseaduste täpsemaks uurimiseks.