Toriumkellot käyvät, mutta jäävät jälkeen

Wienin ja Pekingin tutkijat ovat rakentaneet ensimmäiset kellot, joissa laser pidetään viritettynä atomiytimen sisäiseen siirtymään. Vertailukohtana on torium-229 (Reuters). Pitkään ideana pysynyt ratkaisu toimii nyt laboratoriolaitteissa. NIST:n fyysikko Kyle Beloy kertoi Chemical & Engineering Newsille, että prototyyppien tarkkuus ja vakaus ovat yhä »useita kertaluokkia» heikommat kuin parhaissa optisissa atomikelloissa (C&EN).

Ydintä halutaan käyttää kellon vertailukohtana, koska se reagoi eri voimiin kuin elektronit, joihin tavalliset atomikellot perustuvat. Ydin- ja atomikellojen vertailu tarjoaa uuden tavan tutkia, pysyvätkö luonnonlait täsmälleen samoina.

Kuinka kiteestä tulee kello

Molemmat ryhmät johtavat ultraviolettilaserin torium-229:llä seostettujen kiteiden läpi ja etsivät läpi kulkeneesta valosta himmeää notkahdusta (To Brief). Notkahdus syntyy, kun laserin taajuus osuu täsmälleen siihen kohtaan, jossa atomiytimet absorboivat valoa. Tätä taajuutta kutsutaan resonanssiksi.

Notkahduksen löytäminen on helppoa verrattuna siihen, että laser pysyy siinä. Siksi ryhmät mittaavat absorptiota hieman valitun taajuuden ylä- ja alapuolelta. Kun laser on täsmälleen keskellä, molemmat puolet absorboivat yhtä paljon. Jos taajuus ajautuu, toinen puoli absorboi enemmän. Ero kertoo säätimelle, mihin suuntaan laseria pitää virittää.

Kuvittele seisovasi sumuisella mäellä. Huippua ei näy, mutta askel vasemmalle ja oikealle paljastavat, mihin suuntaan rinne viettää. Jatkuva korjaus pitää laserin kohdallaan ja tekee siitä kellon.

Kolme kellon suorituskyvyn mittaria

Kylpyhuonevaaka ja kalibroitu punnus auttavat erottamaan kolme ominaisuutta. Vakaus kertoo, kuinka vähän lukema vaihtelee, kun punnus on paikallaan. Toistettavuus kertoo, näyttääkö vaaka samalle punnukselle saman lukeman myös huomenna. Tarkkuus kertoo, vastaako lukema punnuksen todellista massaa.

Kellon vakaudesta käytetään lukua nimeltä epävakauskerroin. Se kuvaa, kuinka paljon käyntitaajuus vaihtelee ajan mittaan. Pienempi luku merkitsee parempaa vakautta. Pekingin ryhmä raportoi arvoksi 5 × 10⁻¹³ kolmen tunnin ja 48 minuutin mittausjaksolla (Beijing manuscript). Wienin kello kävi ilman valvontaa kokonaisen vuorokauden, ja ryhmä raportoi arvoksi 3 × 10⁻¹² (Vienna Nature paper).

Vertailuksi julkaistun alumiini-ionipohjaisen atomikellon vastaava arvo on noin 3,5 × 10⁻¹⁶ (aluminium-ion clock paper, NIST record). Eksponentin yhden yksikön ero tarkoittaa kymmenkertaista eroa; ero vastaa sitä, mistä Beloy puhuu. Ydin­kelloryhmät käyttivät erilaisia laitteistoja ja mittausjaksoja, joten Pekingin pienempi luku ei yksin osoita sen kellon olevan kokonaisuutena parempi.

Luvut kuvaavat vain lyhyen aikavälin vaihtelua. Kumpikaan ryhmä ei ole esittänyt kattavaa tarkkuusbudjettia eli arviota kaikista tekijöistä, jotka voisivat siirtää kellon pois todellisesta taajuudestaan. Tarkkuuseroa ei siksi voi vielä ilmaista lukuina.

Taajuusviite elää

Mitattu absorptiohuippu on myös leveä. Pekingin ryhmän valitseman huipun leveys oli noin 27 kilohertsiä (Physics World). Leveä huippu tekee kohteesta epätarkan: säätimen on vaikeampi löytää sen täsmällistä keskikohtaa.

Toinen ongelma ilmeni Wienissä. Ryhmä siirsi lasersäteen viiteen kohtaan samassa kiteessä ja havaitsi resonanssin keskitaajuuden siirtyvän jopa noin 1,7 kilohertsiä. Satunnainen mittausvaihtelu selittäisi siitä vain noin 0,13 kilohertsiä (Vienna manuscript). Näennäinen vertailutaajuus siis muuttui sen mukaan, mihin kohtaan säde osui. Ilmiö muistuttaa vaakaa, jonka lukema riippuu siitä, mihin kohtaan punnus asetetaan.

Ryhmä ei ole vielä selvittänyt ilmiön syytä. Yksi ehdotetuista korjauksista on säteen kulkureitin toistaminen täsmälleen samanlaisena. Epätasaisuus auttaa selittämään, miksi Wienin kellon taajuudet vastasivat toisiaan eri päivinä vain noin 5 × 10⁻¹³:n tarkkuudella (Vienna Nature paper). Tulos on epätarkempi kuin yksittäisten mittauskertojen perusteella voisi päätellä.

Wienin ja Pekingin ryhmät ovat osoittaneet, että kiteen atomiytimet voivat ohjata laseria ja pitää sen lukittuna tuntikausia, Wienissä jopa kokonaisen vuorokauden. Mitattu vakaus jää kauas parhaista optisista kelloista, eikä tarkkuutta ole vielä arvioitu. Virallisen sekunnin määrittää yhä cesiumatomi (BIPM). Seuraavaksi mittaukset pitää toistaa eri päivinä ja eri laitteilla, selvittää kaikki systemaattiset siirtymät ja tehdä pitkiä rinnakkaisvertailuja optisiin kelloihin.