Tóriummagok vezérlik az órát, kristályok elhangolják

Bécsben és Pekingben olyan órákat építettek, amelyekben a lézer frekvenciáját először nem az atom elektronjai, hanem az atommag tartja stabilan. A kutatók eredménye október 7-én jelent meg a Nature-ben (Reuters). A tóriummag folyamatosan korrigálja a lézert, így a fizikusok új mérőeszközhöz jutottak. Az órát egyelőre a tóriumot rögzítő kristályok apró frekvenciaeltolásai akadályozzák abban, hogy megbízható időmérő legyen.

Minden óra egyenletes ritmusra és korrekcióra épül. Az inga leng, az órás pedig utánállítja a szerkezetet, ha az eltér a pontos időtől. Az atomóra ezt a korrekciót a fizikára bízza: a lézer frekvenciáját folyamatosan összeveti egy átmenettel, vagyis két energiaállapot közti ugrással, amely meghatározott frekvenciájú fényt nyel el. Ez a frekvencia rendkívül állandó, az atom környezete azonban kissé eltolhatja.

A hagyományos atomórákban az ugrás az elektronok között történik. A tórium-229 azért különleges, mert atommagjában olyan átmenet van, amelyet ultraibolya lézerfénnyel is el lehet érni, miközben a legtöbb magátmenethez ennél jóval nagyobb energiájú sugárzás kell. A magok rendkívül kicsik, ezért elvileg kevésbé zavarják meg őket a külső elektromos és mágneses terek, mint az atommag körüli elektronfelhőt (Physics World).

Hogyan veszi át a vezérlést az atommag

Mindkét kutatócsoport tórium-229-et ágyazott apró kalcium-fluorid-kristályokba, majd szűk frekvenciasávú ultraibolya lézerfényt bocsátott át rajtuk. A megfelelő frekvencián az atommagok valamivel több fényt nyelnek el. A szabályozórendszer a lézer frekvenciáját az elnyelési csúcs két oldalára tolja, ebből megállapítja, merre tért el a középponttól, majd visszaállítja arra.

Az autó sávtartó rendszere hasonló elven működik: a kamera érzékeli a felfestéseket, a rendszer pedig apró kormánymozdulatokkal a sávban tartja az autót. Az órában az elnyelési jel tölti be a kamera szerepét, a lézer vezérlése pedig a kormányét.

Ez a visszacsatolás jelenti az új lépést. A 2024-es kísérletekben lézerfénnyel már sikerült kiváltani az átmenetet (Physical Review Letters). Akkor többnyire a gerjesztett atommagok lassú utósugárzásából észlelték a jelet, ez pedig túl későn érkezett ahhoz, hogy a lézert pillanatról pillanatra korrigálják. Rádióadót egyszer megtalálni más, mint rajta maradni: a közvetlen fényelnyelés már elég gyors az utóbbihoz.

A két csoport egymástól függetlenül jutott el az eredményhez. A TU Wien saját eszközét önstabilizáló atommagóraként írja le (TU Wien), a kínai fejlesztést pedig a Tsinghua University vezette (Tsinghua). Két, egymástól függetlenül megépített, azonos elven működő eszköz meggyőzőbb bizonyíték, mint egyetlen prototípus.

Egyenletes, de még nem pontos

Az órákat két külön szempontból értékelik. A stabilitás azt mutatja, mennyire egyenletes az óra járása rövid idő alatt; ebben egyik prototípus sem éri még el a bevett optikai atomórák szintjét. A pontosság azt jelzi, hogy az óra a megfelelő frekvencián jár-e, ahogy egy egyenletesen ketyegő, de öt perccel előre állított karóra is pontosan működik, csak rossz időt mutat.

A pontosságot a kristályok nehezítik. Minden tóriummag a kristály egy-egy apró környezetében ül, ahol a helyi feszültség vagy egy hiba eltolhatja a mag jellemző frekvenciáját. Emiatt az érték attól is függhet, hogy a lézer a kristály melyik részén halad át. A pekingi csoport biztató jelet talált: két külön növesztett kristályban nagyon hasonló frekvenciát mértek (Chinese Nature paper). Egyik csoport sem számolt még el teljes körűen minden olyan hatással, amely eltolhatja a frekvenciát.

A sötét anyag nyomában

A tökéletlen óra is hasznos lehet a fizikusoknak. Egyes elméletek szerint a sötét anyag, az Univerzum tömegének nagy részét adó, közvetlenül nem látható anyag, finoman és ritmikusan hathat azokra az erőkre, amelyek ezeket a frekvenciákat meghatározzák. Egy atommagóra és egy elektronokra épülő óra eltérően érzékelné ezt a hatást, ezért a kettő járásának aránya szabályos ritmusban változna.

A bécsi csoport a tóriumórát egy hagyományos atomórával párhuzamosan működtette, és éppen ezt a ritmust kereste. Nem találták meg. A szerzők szerint az eredmény néhány konkrét sötétanyag-modellt zár ki, a sötét anyag létezését azonban nem cáfolja (Vienna Nature paper).

A másodperc hivatalos definíciója továbbra is a céziumatomon alapul (BIPM), és a prototípusok ezen egyhamar nem változtatnak. A kísérletek azt mutatták meg, hogy az atommag menet közben is képes szabályozni egy órát. A megbízható időméréshez olyan kristályokra van szükség, amelyek rögzítik a tóriumot, de nem tolják el a frekvenciáját. Ennek megoldására a bécsi és pekingi csoport kristálynövesztői vannak a legjobb helyzetben.