Toriumytimet ohjaavat kelloa, kiteet vääristävät

Laserin taajuutta vakautetaan nyt ensimmäistä kertaa atomiytimen eikä elektronien avulla. Wienissä ja Pekingissä rakennetut kellot esiteltiin Nature-lehdessä 7. lokakuuta (Reuters). Thoriumydin korjaa laserin taajuutta jatkuvasti ja tarjoaa fyysikoille uuden mittausvälineen. Thoriumia paikallaan pitävät kiteet siirtävät taajuutta hieman, joten laite ei vielä sovellu luotettavaksi kelloksi.

Kello tarvitsee tasaisen rytmin ja käynnin korjauksen. Heiluri heilahtaa, ja kelloseppä säätää käyntiä, kun kello alkaa heittää. Atomikellossa korjaus perustuu fysiikkaan: laserin taajuutta verrataan jatkuvasti atomissa tapahtuvaan siirtymään eli kahden energiatilan väliseen hyppyyn. Siirtymä absorboi valoa ominaisella taajuudellaan. Taajuus on erittäin vakaa, vaikka atomin ympäristö voi siirtää sitä hieman.

Tavallisissa atomikelloissa hypyn tekee elektroni. Thorium-229 on poikkeuksellinen, sillä sen ytimessä tapahtuvaan siirtymään pääsee käsiksi ultraviolettilaserilla. Useimmat ydinreaktiot vaativat paljon suurienergiaisempaa säteilyä. Ytimet ovat myös hyvin pieniä, joten vieraat sähkö- ja magneettikentät häiritsevät niitä periaatteessa vähemmän kuin atomien elektronipilviä (Physics World).

Miten ydin ottaa ohjat

Molemmat ryhmät sijoittivat thorium-229-ytimiä pieniin kalsiumfluoridikiteisiin ja suuntasivat niiden läpi kapeakaistaisen ultraviolettilaserin. Ytimet absorboivat hieman enemmän valoa juuri oikealla taajuudella. Säätöjärjestelmä kokeilee taajuutta absorptiohuipun molemmin puolin, päättelee signaalista, kummalla puolella huippua laser on, ja siirtää taajuutta takaisin kohti keskikohtaa (Wienin Nature-artikkeli, kiinalainen Nature-artikkeli).

Auton kaistanpitoavustin toimii samalla periaatteella. Kamera tunnistaa kaistamerkinnät, ja järjestelmä tekee pieniä ohjauskorjauksia pysyäkseen kaistalla. Kellossa absorptiosignaali vastaa kameraa ja laserin säädin kääntää rattia.

Uutta on palautekytkentä, joka korjaa laserin taajuutta jatkuvasti. Siirtymä saatiin aikaan laservalolla jo vuoden 2024 kokeissa (Physical Review Letters). Silloin signaali havaittiin yleensä virittyneiden ytimien hitaasta jälkihehkusta. Se tulee liian myöhään, jotta laseria voisi korjata hetki hetkeltä. Radiokanavan löytäminen kerran on eri asia kuin sen jatkuva kuuntelu. Suora absorptiomittaus on riittävän nopea jälkimmäiseen.

Ryhmät päätyivät ratkaisuun toisistaan riippumatta. TU Wien kuvaa laitettaan itseään vakauttavaksi ydinkelloksi (TU Wien), ja Kiinan hanketta johti Tsinghua University (Tsinghua). Kaksi erillistä toteutusta vahvistaa näyttöä menetelmän toimivuudesta.

Vakaa, mutta ei vielä tarkka

Kellotutkijat arvioivat kahta eri ominaisuutta. Vakaus kertoo, kuinka tasaisesti kello käy hetkestä toiseen. Kummankaan prototyypin vakaus ei vielä yllä vakiintuneiden optisten atomikellojen tasolle. Tarkkuus taas kertoo, käykö kello väärällä taajuudella. Kello voi tikittää tasaisesti mutta olla silti viisi minuuttia edellä, jos se on asetettu väärään aikaan.

Tarkkuuden ongelma johtuu kiteestä. Jokainen thoriumydin on omassa kohdassaan kidehilassa, ja paikallinen jännitys tai rakennevirhe voi siirtää sen ominaistaajuutta. Lukema voi siksi riippua siitä, mistä kohdasta laser kulkee kiteen läpi. Pekingin ryhmä havaitsi lupaavan merkin: kahdesta erikseen kasvatetusta kiteestä mitattiin lähes sama taajuus (kiinalainen Nature-artikkeli). Kumpikaan ryhmä ei ole vielä esittänyt kattavaa arviota kaikista taajuutta vääristävistä tekijöistä.

Pimeän aineen jäljillä

Epätäydellinenkin kello on jo hyödyksi fyysikoille. Joidenkin teorioiden mukaan pimeä aine, näkymätön aine, joka muodostaa valtaosan maailmankaikkeuden massasta, voisi vaikuttaa hienovaraisesti ja säännöllisesti niihin voimiin, jotka määräävät kellotaajuudet. Ydinkello ja elektroneihin perustuva kello reagoisivat muutokseen eri tavoin, jolloin niiden käyntitaajuuksien suhde vaihtelisi säännöllisesti.

Wienin ryhmä käytti thoriumkelloa rinnakkain tavallisen atomikellon kanssa etsiäkseen tällaista vaihtelua. Sellaista ei havaittu. Tutkijoiden mukaan tulos sulkee pois joitakin pimeän aineen malleja, ei pimeää ainetta yleisesti (Wienin Nature-artikkeli).

Sekunnin virallinen määritelmä perustuu yhä cesiumatomeihin (BIPM), eivätkä nämä prototyypit muuta sitä lähiaikoina. Ne osoittavat, että atomiydin voi ohjata käynnissä olevaa kelloa. Luotettava ajanmittaus riippuu nyt kiteistä, jotka pitävät thoriumin paikallaan siirtämättä sen taajuutta. Wienin ja Pekingin kiteenkasvattajat ovat avainasemassa ongelman ratkaisemisessa.