Bečki nuklearni sat još posrće

Dvije su istraživačke skupine 7. listopada 2026. u časopisu Nature objavile da su izradile satove čiji laser tijekom rada ostaje usklađen s prijelazom u atomskoj jezgri (bečki rad, pekinški rad). Bečki je prototip radio više od 24 sata bez ičije intervencije (puni tekst bečkog rada, Pro-Physik). Oba su sata ipak mnogo manje stabilna od najboljih atomskih satova. Njihova je prednost nova vrsta referencije, koja bi mogla otkriti mijenjaju li se temeljne konstante fizike.

Zamislite pjevačicu koja drži ton uz glazbenu vilicu. Kad joj glas skrene, uho otkriva razliku pa ona ispravlja ton. Optički atomski satovi rade na sličan način: ritam održava laser, a glazbena vilica je prijelaz elektrona između energetskih razina u atomu.

Kod torija-229 glazbena se vilica nalazi u jezgri. Jezgra može prijeći iz jednog stanja u drugo kad je pogodi ultraljubičasto svjetlo valne duljine blizu 148 nanometara (obavijest PTB-a). Obje su skupine ugradile torij u kristale kalcijeva fluorida, prozirnog materijala koji drži atome na mjestu. Kad laser dosegne točnu frekvenciju, jezgre apsorbiraju dio svjetlosti koja prolazi kroz kristal.

To jedva primjetno slabljenje svjetlosti služi kao uho sata. Elektronika neznatno pomiče frekvenciju lasera u oba smjera, a detektor mjeri slabi li svjetlost više na jednoj ili drugoj strani. Tako sustav doznaje u kojem smjeru treba vratiti laser na sredinu, kao što pjevačica čuje je li joj ton previsok ili prenizak.

Istraživači su 2024. pokazali da laser uopće može pobuditi taj prijelaz u jezgri (rad o pobuđivanju iz 2024.). Novi je korak, o kojem smo pisali u srijedu (To Brief), sustav koji radi neprekidno. Dok sat radi, jezgra održava laser usklađenim s prijelazom.

Dva laboratorija, dva načina stabilizacije zrake

Bečka skupina podijelila je posao između dvaju sustava. Optički rezonator, par zrcala između kojih se zadržava svjetlost, smiruje brza kolebanja lasera. Signal torija zatim ispravlja sporije odstupanje koje rezonator ne može sam pratiti (TU Wien). TU Wien uzgojio je kristal, a njemački institut za mjeriteljstvo PTB izradio je ultraljubičasti laser u suradnji s berlinskim Max Born Instituteom (istraživačka skupina PTB-a).

Pekinška skupina, koju je predvodio Tsinghua University (Tsinghua), zabilježila je niži koeficijent nestabilnosti od bečke. Taj pokazatelj mjeri koliko se brzina otkucaja sata mijenja tijekom kraćih razdoblja mjerenja; niža vrijednost znači stabilniji sat. Pekinški je rezultat iznosio 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), a bečki 3 × 10⁻¹² (puni tekst bečkog rada).

Pekinška je skupina usporedila i dva zasebno uzgojena kristala te utvrdila da se njihove frekvencije razlikuju za samo 2,8 × 10⁻¹³ u relativnom iznosu (pekinški rad). Dvije glazbene vilice izrađene u različitim radionicama davale bi gotovo isti ton. To je rani pokazatelj da se nuklearna referencija može ponovljivo ostvariti.

Još daleko iza atomskih satova

U usporedbi s najboljim satovima koji se oslanjaju na elektrone, oba prototipa znatno više osciliraju. Nestabilnost bečkog sata oko je 8.600 puta veća, a pekinškog oko 1.400 puta veća od nestabilnosti aluminij-ionskog sata američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) (NIST, rad NIST-a o aluminij-ionskom satu).

Bečka se skupina suočila i s upornim problemom u materijalu. Promjena putanje lasera kroz kristal pomaknula je izmjerenu frekvenciju za najviše oko 1,7 kilohertza, što se ne može objasniti samo mjernim šumom; uzrok bi mogli biti naprezanja i nedostaci u kristalu (puni tekst bečkog rada). Istraživači još trebaju provjeriti hoće li kvalitetnije uzgojeni kristali i precizniji nadzor putanje zrake smanjiti to odstupanje.

Zašto ustrajati na satu koji toliko zaostaje? Usporedba dvaju satova zasnovanih na različitim fizikalnim pojavama može ih pretvoriti u detektor. Bečka je skupina svoj sat usporedno pokrenula s iterbij-ionskim satom austrijskog mjeriteljskog ureda BEV, koji je služio samo kao referencija i nije bio dio sustava za povratnu regulaciju. Prema tumačenju skupine, nuklearni bi prijelaz reagirao drukčije od elektronskih satova kad bi se temeljne konstante prirode promijenile (bečki rad).

Neki modeli tamne tvari predviđaju upravo takvu promjenu, koja bi se očitovala kao sporo, ritmično kolebanje. Bečka je skupina tražila takva kolebanja u usporednim mjerenjima, ali nijedno nije prešlo prag detekcije. Rezultat postavlja gornje granice mogućoj jačini tih učinaka; ne predstavlja otkriće.

Službena definicija sekunde i dalje se temelji na atomima cezija, a ovi je prototipovi ne mijenjaju (BIPM). Bečki je tim pokazao da jezgra može cijeli dan održavati laser usklađenim s prijelazom, a pekinški da se dva kristala mogu vrlo dobro slagati. Da bi nuklearni sat postao precizniji alat za ispitivanje fizikalnih zakona, proizvođači kristala i lasera morat će postići da nuklearni prijelaz daje isti rezultat u svakom uzorku.