Viennan ydinkello käy, mutta horjuu

Kaksi tutkimusryhmää kertoi Nature-lehdessä 7. lokakuuta rakentaneensa kellot, jotka pysyvät käynnissä atomiytimen tahdissa (Wienin tutkimus, Pekingin tutkimus). Wienin prototyyppi kävi yli 24 tuntia ilman säätöä (Wienin koko teksti, Pro-Physik). Molempien kellot käyvät silti paljon epätasaisemmin kuin parhaat atomikellot. Niissä on kuitenkin uudenlainen vertailukohta, jonka avulla voidaan tutkia, muuttuvatko fysiikan perusvakiot ajan mittaan.

Kuvitellaan laulaja, joka pitää ääntä vireessä virityshaarukan avulla. Jos ääni alkaa lipsua, laulaja kuulee eron ja korjaa säveltä. Optiset atomikellot toimivat samalla periaatteella: laser pitää tahtia, ja atomien elektronien energiatilojen välinen siirtymä toimii virityshaarukkana.

Thorium-229:ssä virityshaarukka on atomiytimessä. Ydin voi siirtyä tilasta toiseen, kun sitä valaistaan ultraviolettivalolla, jonka aallonpituus on noin 148 nanometriä (PTB:n tiedote). Molemmat ryhmät sijoittivat thoriumia kalsiumfluoridikiteisiin. Läpinäkyvä kide pitää atomit paikoillaan. Kun laserin taajuus osuu täsmälleen oikeaan kohtaan, ytimet absorboivat hieman niiden läpi kulkevasta valosta.

Valon heikko himmeneminen kertoo kellolle, onko laserin taajuus kohdallaan. Elektroniikka siirtää taajuutta vuorotellen hieman ylös ja alas, ja ilmaisin mittaa, kummalla puolella valo himmenee enemmän. Ohjain saa siitä tiedon, mihin suuntaan taajuutta pitää korjata. Laulaja tekee saman kuunnellessaan, onko sävel liian korkea vai matala.

Vuonna 2024 tutkijat osoittivat, että laserilla voidaan ylipäätään saada aikaan tämä ydinsiirtymä (vuoden 2024 tutkimus). Uusi askel, josta kerroimme keskiviikkona (To Brief), on jatkuvasti toimiva säätöpiiri. Ydin pitää laserin taajuuden kohdallaan niin kauan kuin kello käy.

Kaksi laboratoriota, kaksi tapaa vakauttaa laser

Wienin ratkaisussa työn jakavat kaksi järjestelmää. Optinen resonaattori, jossa kaksi vastakkain olevaa peiliä vangitsee valon, tasaa laserin nopeat taajuusvaihtelut. Thoriumin signaali korjaa hitaampaa taajuuden vaellusta, johon resonaattori ei yksin pysty (TU Wien). TU Wien kasvatti kiteen, ja Saksan metrologiainstituutti PTB rakensi ultraviolettilaserin yhdessä Berliinin Max Born Instituten kanssa (PTB:n tutkimusryhmä).

Tsinghua Universityn johtama Pekingin ryhmä (Tsinghua) raportoi Wieniä pienemmän epävakauskertoimen. Kerroin kuvaa kellon käyntitaajuuden vaihtelua lyhyillä keskiarvoistusjaksoilla. Mitä pienempi luku, sitä vakaampi kello. Pekingin tulos oli 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), Wienin 3 × 10⁻¹² (Wienin koko teksti).

Pekingin ryhmä vertasi myös kahta erikseen kasvatettua kidettä. Niiden taajuudet erosivat suhteellisesti vain 2,8 × 10⁻¹³ (Pekingin tutkimus). Eri työpajoissa valmistetut virityshaarukat soivat siis lähes samalla sävelellä. Tulos viittaa siihen, että ydinkellon vertailukohta voidaan toistaa eri näytteissä.

Atomikellot ovat yhä paljon vakaampia

Parhaisiin elektronisiirtymiin perustuviin kelloihin verrattuna molempien prototyyppien käynti vaihtelee selvästi enemmän. NISTin alumiini-ionikello on niin vakaa, että Wienin kellon epävakaus on siihen verrattuna noin 8 600-kertainen ja Pekingin noin 1 400-kertainen (NIST, NISTin alumiini-ionikellon tutkimus).

Wienin ryhmä törmäsi myös sitkeään materiaaliongelmaan. Kun laserin kulkureittiä kiteessä muutettiin, mitattu taajuus siirtyi enimmillään noin 1,7 kilohertsiä. Mittauskohina ei selitä eroa, jonka syynä ovat todennäköisesti kiteen jännitykset ja virheet (Wienin koko teksti). Tutkijoiden on vielä selvitettävä, pienentävätkö laadukkaammin kasvatetut kiteet ja laserkeilan kulkureitin tarkempi hallinta taajuussiirtymää.

Miksi kehittää kelloa, joka jää vakaudessa näin kauas atomikelloista? Eri fysikaalisiin ilmiöihin perustuvien kellojen vertailu voi tehdä niistä mittalaitteen: niiden käynti saattaa muuttua eri tavoin, jos luonnonvakiot muuttuvat. Wienin ryhmä käytti ydinkelloaan rinnakkain Itävallan metrologialaitoksen BEV:n ytterbiumionikellon kanssa. Ytterbiumkello toimi vertailukohtana, eikä sen signaali osallistunut laserin säätöön. Ryhmän mukaan ydinsiirtymä reagoisi luonnonvakioiden muutoksiin eri tavoin kuin elektronipohjaiset kellot (Wienin tutkimus).

Joissakin pimeän aineen malleissa ennustetaan juuri tällaisia muutoksia: luonnonvakiot voisivat vaihdella hitaasti ja jaksollisesti. Wienin ryhmä etsi vertailusta tällaisia vaihteluita, mutta yksikään signaali ei ylittänyt havaintorajaa. Tulos asettaa ylärajan vaikutuksen voimakkuudelle. Se ei ole havainto tällaisesta vaikutuksesta.

Sekunti määritellään yhä cesiumatomien avulla, eivätkä prototyypit muuta määritelmää (BIPM). Wienissä osoitettiin, että ydin voi pitää laserin taajuuden kohdallaan kokonaisen vuorokauden. Pekingissä taas kaksi kidettä tuotti lähes saman taajuuden. Jotta ydinkellosta saadaan tarkempi fysiikan lakien mittari, kiteiden kasvattajien ja laserien rakentajien on saatava ydinresonanssi toistumaan näytteestä toiseen.