Satovi s torijem zaostaju za atomskima

Timovi u Beču i Pekingu izradili su prve satove čiji laser ostaje podešen na prijelaz unutar atomske jezgre, koristeći torij-229 kao referenciju (Reuters). Dugogodišnja zamisao tako je postala uređaj koji radi u laboratoriju. Fizičar Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) Kyle Beloy rekao je za Chemical & Engineering News da su prototipi po točnosti i stabilnosti još „nekoliko redova veličine” iza najboljih optičkih atomskih satova (C&EN).

Fizičari žele referenciju u jezgri jer ona reagira na drukčije sile od elektrona na kojima se temelje obični atomski satovi. Usporedba tih dviju vrsta satova otvara nov način provjere jesu li zakoni prirode potpuno nepromjenjivi.

Kako kristal postaje sat

Oba tima propuštaju ultraljubičastu lasersku svjetlost kroz kristale s torijem-229 i traže slabo smanjenje intenziteta svjetlosti koja izlazi (To Brief). Do smanjenja dolazi kad laser pogodi točnu frekvenciju koju jezgre apsorbiraju. Fizičari tu točku nazivaju rezonancijom.

Pronaći je jednom lakše je nego zadržati laser na njoj. Zato timovi provjeravaju apsorpciju malo iznad i malo ispod odabrane frekvencije. Ako je laser točno u sredini, apsorpcija je jednaka s obje strane. Kad frekvencija odmakne, jedna strana apsorbira više, a ta razlika pokazuje upravljačkom sustavu u kojem smjeru treba podesiti laser.

Zamislite da stojite na vrhu brda u magli. Ne vidite vrh, ali korakom ulijevo i korakom udesno možete procijeniti u kojem se smjeru teren spušta. Tim stalnim ispravljanjem laser postaje sat.

Tri načina na koja sat može pogriješiti

Vaga za kupaonicu i uteg za umjeravanje pomažu razlikovati tri pojma. Stabilnost govori koliko očitanje oscilira dok uteg stoji na vagi. Ponovljivost pokazuje hoće li vaga sutra za isti uteg pokazati isti broj. Točnost govori odgovara li broj stvarnoj masi utega.

Stabilnost fizičari izražavaju „koeficijentom nestabilnosti” — mjerom promjene brzine otkucavanja, usrednjenom tijekom određenog razdoblja. Niža vrijednost znači veću stabilnost. Peking je zabilježio 5 × 10⁻¹³ tijekom mjerenja od 3,8 sata (rukopis tima iz Pekinga). Bečki sat radio je bez nadzora cijeli dan, a tim je izvijestio o vrijednosti 3 × 10⁻¹² (rad u časopisu Nature).

Za usporedbu, objavljeni rezultati za atomski sat s ionom aluminija pokazuju vrijednost od oko 3,5 × 10⁻¹⁶ (rad o satu s ionom aluminija, rezultat NIST-a). Svaka jedinica razlike u eksponentu znači deseterostruku razliku, što je jaz koji opisuje Beloy. Nuklearni satovi dvaju timova rade u različitim postavama i uz različita razdoblja usrednjavanja, pa niža vrijednost iz Pekinga ne znači da je njihov sat u cjelini bolji.

Ove brojke opisuju samo kratkoročno kolebanje. Nijedan tim još nije objavio cjelovitu procjenu točnosti, odnosno pregled svih učinaka koji bi sat mogli pomaknuti od njegove stvarne frekvencije. Zato razliku u točnosti zasad nije moguće izraziti brojčano.

Referencija koja se ne smiruje

Izmjereni vrh apsorpcije također je širok. Odabrani vrh u Pekingu imao je širinu od oko 27 kilohertza (Physics World). Širok vrh znači nejasnu ciljnu točku, pa je upravljačkom sustavu teže pronaći njezinu točnu sredinu.

Druga se poteškoća pokazala u Beču. Tim je pomicao lasersku zraku između pet mjesta na istom kristalu i utvrdio da se središte rezonancije pomiče za oko 1,7 kilohertza, dok bi slučajna mjerna odstupanja objasnila samo oko 0,13 kilohertza (rukopis tima iz Beča). Drugim riječima, prividna referentna frekvencija mijenjala se ovisno o tome gdje je zraka pogodila kristal, kao da vaga pokazuje različitu masu ovisno o tome gdje na nju stavite uteg.

Tim još nije utvrdio uzrok, a među rješenjima koja predlaže jest putanja laserske zrake koja se svaki put ponavlja na isti način. Ta neujednačenost pomaže objasniti zašto su se mjerenja frekvencije u Beču iz dana u dan podudarala tek do oko 5 × 10⁻¹³ (rad u časopisu Nature), što je manje precizno nego što sugerira ijedno pojedinačno mjerenje.

Timovi u Beču i Pekingu pokazali su da jezgre u kristalu mogu usmjeravati laser i održavati ga podešenim satima, pa i cijeli dan. Izmjerena stabilnost njihovih satova daleko je slabija od stabilnosti vodećih optičkih satova, a njihova točnost još nije procijenjena. Službenu sekundu i dalje definira atom cezija (BIPM). Sljedeći je korak ponoviti mjerenja tijekom više dana i na različitim uređajima, obuhvatiti sva sustavna odstupanja, a zatim dulje uspoređivati nuklearne i optičke satove.