Működnek a tóriumórák, de instabilak

Bécsi és pekingi kutatócsoportok megépítették az első olyan órákat, amelyek egy lézert az atommagban zajló átmenet frekvenciáján tartanak; referenciaként tórium-229-et használnak (Reuters). Ezzel egy régóta felvetett elképzelés működő laboratóriumi eszközzé vált. Kyle Beloy, a NIST fizikusa a Chemical & Engineering Newsnak azt mondta, hogy a prototípusok pontosságban és stabilitásban „nagyságrendekkel elmaradnak” a legjobb optikai atomóráktól (C&EN).

A fizikusok azért keresnek atommagra épülő referenciát, mert az atommag más erőhatásokra reagál, mint a hagyományos atomórákban használt elektronok. A kétféle óra összehasonlításával új módszer nyílik annak vizsgálatára, hogy a természet törvényei valóban állandók-e.

Hogyan lesz a kristályból óra

Mindkét csapat tórium-229-cel adalékolt kristályokon bocsát át ultraibolya lézerfényt, és a kilépő fény intenzitásának halvány csökkenését keresi (To Brief). A csökkenés akkor jelenik meg, amikor a lézer eléri azt a pontos frekvenciát, amelyet az atommagok elnyelnek. Ezt a frekvenciát nevezik rezonanciának.

A csökkenést egyszer megtalálni könnyebb, mint a lézert folyamatosan a megfelelő frekvencián tartani. Ezért a kutatók valamivel a kiválasztott frekvencia fölött és alatt is ellenőrzik az elnyelést. Ha a lézer pontosan középen jár, mindkét oldalon azonos mértékben nyelődik el a fény. Ha elcsúszik, az egyik oldalon nagyobb lesz az elnyelés; a különbség megmutatja a szabályozónak, merre hangolja tovább a lézert.

Képzeld el, hogy ködben állsz egy hegytetőn. A csúcsot nem látod, de egy-egy lépés balra és jobbra megmutatja, merre lejt a talaj. A folyamatos korrekció teszi a lézert órává.

Az órák teljesítményének három mércéje

Egy fürdőszobai mérleg és egy hiteles súly segít különválasztani három fogalmat. A stabilitás azt mutatja, mennyire ingadozik a kijelzés, miközben a súly a mérlegen van. Az ismételhetőség azt jelenti, hogy másnap ugyanazt mutatja-e a mérleg ugyanazzal a súllyal. A pontosság pedig azt, hogy a kijelzett érték egyezik-e a súly valódi tömegével.

A stabilitást a fizikusok egy „instabilitási együtthatóval” jellemzik: ez azt mutatja meg, mennyit ingadozik a ketyegés üteme az időátlagolás során. Minél kisebb az érték, annál jobb. Pekingben 5 × 10⁻¹³-es értéket mértek egy 3,8 órás adatsoron (Beijing manuscript). A bécsi óra egy teljes napon át, felügyelet nélkül működött, és 3 × 10⁻¹²-es értéket ért el (Vienna Nature paper).

Összehasonlításképpen egy publikált alumíniumion-atomóra körülbelül 3,5 × 10⁻¹⁶-os értéket ér el (aluminium-ion clock paper, NIST record). A tíz hatványában minden egyes lépés tízszeres különbséget jelent: ezt a lemaradást írta le Beloy. A két nukleáris órát más-más berendezéssel és eltérő időtartamú átlagolással vizsgálták, ezért a pekingi alacsonyabb érték önmagában nem jelenti azt, hogy az ottani óra összességében jobb.

Ezek az adatok csak a rövid távú ingadozást mutatják. Egyik csapat sem mutatta be az óra pontosságának teljes hibamérlegét, vagyis azoknak a hatásoknak a tételes számbavételét, amelyek eltéríthetik az órát a valódi frekvenciától. A pontosságban mutatkozó különbséget ezért egyelőre nem lehet számszerűsíteni.

Elmosódó és mozgó célpont

A mért elnyelési csúcs ráadásul széles: a pekingi csapat által kiválasztott csúcs mintegy 27 kilohertz széles volt (Physics World). Ilyen elmosódott célpontnál a szabályozó nehezebben találja meg a pontos középfrekvenciát.

A második nehézség Bécsben jelentkezett. A kutatócsoport öt különböző pontra irányította a lézernyalábot ugyanabban a kristályban, és azt találta, hogy a rezonancia közepe akár 1,7 kilohertzzel is eltolódott. A véletlenszerű mérési szórás mindössze körülbelül 0,13 kilohertzes eltérést magyarázna (Vienna manuscript). Vagyis a látszólagos referenciafrekvencia attól függően változott, hová ért a nyaláb: mintha a mérleg mást mutatna attól függően, hová tesszük rá a súlyt.

A csapat egyelőre nem azonosította az okot; a javasolt megoldások egyike, hogy a lézernyaláb mindig pontosan ugyanazon az útvonalon haladjon. Ez az ingadozás segít megérteni, miért csak körülbelül 5 × 10⁻¹³-es szinten ismétlődtek meg a bécsi mérések egyik napról a másikra (Vienna Nature paper). Ez kevésbé szoros egyezés, mint amit az egyes mérési futamok önmagukban sugallnak.

Bécsben és Pekingben azt mutatták meg, hogy a kristályban lévő atommagok képesek vezérelni a lézert, és órákon át, akár egy teljes napon keresztül rezonancián tartani. A mért stabilitásuk messze elmarad a vezető optikai órákétól, a pontosságukat pedig egyelőre nem értékelték teljes körűen. A hivatalos másodpercet továbbra is a céziumatom határozza meg (BIPM). A következő lépés a mérések megismétlése több napon át és különböző eszközökkel, az összes szisztematikus frekvenciaeltérés számbavétele, majd a nukleáris és optikai órák hosszabb közvetlen összehasonlítása.