Torijeve jezgre vode satove, kristali ih pomiču

Prvi put frekvenciju lasera ne održavaju elektroni, nego jezgra atoma. Takvi satovi, koje su izradili timovi u Beču i Pekingu, opisani su u časopisu Nature 7. listopada (Reuters). Jezgra torija neprestano korigira laser, što fizičarima daje nov mjerni instrument. No sitni pomaci frekvencije, koje uzrokuju kristali u kojima se torij drži na mjestu, zasad ga sprečavaju da pouzdano mjeri vrijeme.

Svaki se sat oslanja na ritam i korekciju. Njihalo se njiše, a urar ga podešava kad počne kasniti ili žuriti. Kod atomskog sata korekciju prepuštamo fizici: laser se neprestano uspoređuje s prijelazom, odnosno skokom između dvaju energetskih stanja koji apsorbira svjetlost određene frekvencije. Ta je frekvencija iznimno postojana, premda je okolina atoma može malo pomaknuti.

U uobičajenim atomskim satovima prijelaz ostvaruje elektron. Torij-229 neobičan je jer u njegovoj jezgri postoji prijelaz do kojeg može doprijeti ultraljubičasta laserska svjetlost, dok je za većinu nuklearnih prijelaza potrebno mnogo energičnije zračenje. Budući da su jezgre vrlo male, u načelu ih manje ometaju neželjena električna i magnetska polja nego elektronske ovojnice oko njih (Physics World).

Kako jezgra preuzima upravljanje

Oba su tima ugradila torij-229 u male kristale kalcijeva fluorida i kroz njih usmjerila uskopojasni ultraljubičasti laser. Kad laser dosegne točnu frekvenciju, jezgre apsorbiraju nešto više svjetlosti. Upravljački sustav pomiče laser na obje strane vrha apsorpcije, utvrđuje na kojoj se strani nalazi i vraća frekvenciju prema sredini (rad u časopisu Nature iz Beča, rad kineskog tima u časopisu Nature).

Slično radi sustav za zadržavanje automobila u prometnoj traci. Kamera prepoznaje oznake na cesti, a sustav sitnim pomacima upravljača drži automobil između njih. U satu ulogu kamere ima signal apsorpcije, a upravljač okreće kontroler lasera.

Upravo je ta povratna sprega novost. Pokusi iz 2024. već su pokazali da se prijelaz može pobuditi laserskom svjetlošću (Physical Review Letters). No tada se signal obično bilježio preko sporog naknadnog zračenja pobuđenih jezgri, koje stiže prekasno za trenutačnu korekciju lasera. Jednom pronaći radijsku postaju nije isto što i ostati na njezinoj frekvenciji; izravna apsorpcija dovoljno je brza za to drugo.

Dvije su skupine do rješenja došle neovisno jedna o drugoj. TU Wien svoj uređaj opisuje kao samostabilizirajući nuklearni sat (TU Wien), a kineski tim predvodilo je Sveučilište Tsinghua (Tsinghua). Dva neovisna uređaja zasnovana na istoj zamisli pružaju čvršći dokaz nego jedan.

Stabilan rad, ali još ne i točno vrijeme

Fizičari razlikuju dvije osobine sata. Stabilnost pokazuje koliko ujednačeno otkucava iz trenutka u trenutak; po tom mjerilu nijedan prototip još ne doseže postojeće optičke atomske satove. Točnost pokazuje radi li sat na pogrešnoj frekvenciji, poput sata koji otkucava savršeno ravnomjerno, ali je namješten pet minuta unaprijed.

Točnost narušava kristal. Svaka jezgra torija nalazi se u vlastitom dijelu kristala, a lokalna naprezanja ili nepravilnosti mogu pomaknuti njezinu karakterističnu frekvenciju. Zato očitanje može ovisiti o tome kojim dijelom kristala prolazi laser. Tim iz Pekinga uočio je ohrabrujući znak: frekvencije izmjerene na dvama zasebno uzgojenim kristalima bile su vrlo slične (rad kineskog tima u časopisu Nature). Nijedan tim još nije objavio cjelovit prikaz svih učinaka koji bi mogli pristrano pomaknuti frekvenciju.

Potraga za tamnom tvari

Čak i kao nesavršen sat, uređaj već koristi fizičarima. Prema nekim teorijama, tamna tvar — nevidljiva tvar koja čini većinu mase svemira — mogla bi blago i ritmično djelovati na sile koje određuju te frekvencije. Nuklearni sat i sat koji se oslanja na elektrone različito bi osjetili taj utjecaj, pa bi se omjer njihovih otkucaja pravilno mijenjao.

Bečki je tim usporedno pokrenuo torijev i konvencionalni atomski sat te tražio upravo takav ritam. Nije ga pronašao. Autori kažu da rezultat isključuje neke konkretne modele tamne tvari, ali ne i tamnu tvar općenito (rad u časopisu Nature iz Beča).

Službena definicija sekunde i dalje se temelji na atomima cezija (BIPM), a ovi je prototipovi neće uskoro promijeniti. Pokazali su, međutim, da jezgra može upravljati satom koji već radi. Hoće li takav sat moći pouzdano mjeriti vrijeme, ovisi o kristalima koji drže torij, a da mu pritom ne pomiču frekvenciju. Upravo su uzgajivači kristala u Beču i Pekingu u najboljem položaju da riješe taj problem.