A bécsi atommagóra jár, de ingadozik

2026. október 7-én két kutatócsoport számolt be a Nature-ben olyan órákról, amelyek működés közben is az atommaghoz igazítják a lézert (bécsi tanulmány, pekingi tanulmány). A bécsi prototípus több mint 24 órán át működött úgy, hogy senki sem nyúlt hozzá (a bécsi tanulmány teljes szövege, Pro-Physik). Mindkét óra jóval kevésbé stabil a legpontosabb atomóráknál. Újfajta viszonyítási alapot kínálnak, amellyel kiderülhet, változnak-e valaha a fizika alapvető állandói.

Képzeljünk el egy énekest, aki hangvillához igazítva tart ki egy hangot. Ha elcsúszik a hangja, a fülével észleli az eltérést, majd korrigál. Hasonlóan működnek az optikai atomórák: a lézer adja az ütemet, az atom elektronjainak energiaszintjei közötti átmenet pedig a hangvillához hasonló viszonyítási pont.

A tórium-229 esetében a hangvillának megfelelő átmenet az atommagban megy végbe. Az atommag ultraibolya fény hatására válthat két állapota között; ehhez közel 148 nanométeres fény kell (PTB-közlemény). Mindkét kutatócsoport kalcium-fluorid kristályba ágyazta a tóriumot. Ez az átlátszó anyag helyben tartja az atomokat. Ha a lézer frekvenciája pontosan megfelelő, az atommagok elnyelik az áthaladó fény egy részét.

A fény halványulása jelzi, merre tért el a lézer. Az elektronika kissé ide-oda változtatja a frekvenciáját, az érzékelő pedig ellenőrzi, hogy a fény a megfelelő frekvencia egyik vagy másik oldalán halványul-e jobban. Ebből a vezérlő megállapítja, merre kell visszaállítania a lézert, ahogy az énekes is hallja, hogy a hangja magasabb vagy mélyebb a kelleténél.

A kutatók 2024-ben igazolták, hogy lézerrel egyáltalán gerjeszthető ez az atommagátmenet (a 2024-es gerjesztési tanulmány). A mostani előrelépés, amelyről szerdán írtunk (To Brief), a folyamatosan működő visszacsatolási hurok: amíg jár az óra, az atommag a megfelelő frekvencián tartja a lézert.

Két labor, két módszer a lézer stabilizálására

Bécsben megosztották a feladatot. A két egymással szemben álló tükröt használó optikai rezonátor csapdába ejti a fényt, és pillanatról pillanatra kisimítja a lézer ingadozását. Az atommag jele ezután korrigálja a rezonátor által önmagában nem követhető, lassú frekvencia-eltolódást (TU Wien). A kristályt a TU Wien növesztette, az ultraibolya lézert pedig a német metrológiai intézet, a PTB a berlini Max Born Intézettel együtt építette meg (a PTB kutatócsoportja).

A Tsinghua Egyetem vezette pekingi kutatócsoport (Tsinghua) a bécsinél alacsonyabb instabilitási együtthatót közölt. Ez a szám azt mutatja meg, mennyire ingadozik az óra járási sebessége rövid átlagolási idő alatt; minél kisebb, annál stabilabb az óra. Pekingben az érték 5 × 10⁻¹³ volt (Science Media Centre), Bécsben pedig 3 × 10⁻¹² (a bécsi tanulmány teljes szövege).

A pekingi csoport két külön növesztett kristályt is összehasonlított: frekvenciájuk relatív eltérése mindössze 2,8 × 10⁻¹³ volt (pekingi tanulmány). Két külön műhelyben készült hangvilla is csaknem ugyanazt a hangot adja. Ez azt jelzi, hogy az atommaghoz kötött viszonyítási alap újra előállítható.

Az atomórák még messze stabilabbak

A legjobb, elektronokra épülő órákhoz képest mindkét prototípus jóval többet ingadozik. A NIST alumíniumion-órája annyira stabil, hogy a bécsi prototípus instabilitása körülbelül 8 600-szor nagyobb, a pekingié pedig mintegy 1 400-szor (NIST, a NIST alumíniumion-órájáról szóló tanulmány).

Bécsben egy makacs anyagprobléma is előkerült. Ha megváltoztatták a lézer útját a kristályban, a mért frekvencia akár 1,7 kilohertzzel is eltolódott. Ezt a mérési zaj nem magyarázza; valószínűleg a kristály belső feszültsége és hibái okozzák (a bécsi tanulmány teljes szövege). A kutatóknak még meg kell vizsgálniuk, hogy a jobb minőségű kristályok és a fénynyaláb útjának pontosabb szabályozása mérsékli-e az eltolódást.

Miért dolgoznak tovább egy olyan órán, amely ennyivel kevésbé stabil? Különböző fizikai elveken működő órákat összehasonlítva érzékelővé lehet alakítani őket. Bécsben az órát az osztrák metrológiai hivatal, a BEV itterbiumion-órája mellett működtették; ez utóbbi kizárólag viszonyítási alapként szolgált, a visszacsatolási körön kívül. A kutatócsoport szerint a természeti állandók változása másként hatna az atommagátmenetre, mint az elektronokra épülő órákra (bécsi tanulmány).

Egyes sötétanyag-modellek éppen ilyen eltolódást jósolnak, lassú, ritmikus ingadozásként. A bécsi csoport ilyen ingadozásokat keresett a két óra összehasonlításakor, de egyik jel sem érte el a kimutathatóság küszöbét. Az eredmény felső korlátot ad arra, milyen erősek lehetnek ezek a hatások; felfedezésről nincs szó.

A másodperc hivatalos definíciója továbbra is a céziumatomon alapul, ezen a prototípusok nem változtatnak (BIPM). Bécsben megmutatták, hogy egy atommag egy teljes napon át frekvencián tarthatja a lézert, Pekingben pedig azt, hogy két kristály szorosan egyező eredményt adhat. A fizikai törvények pontosabb vizsgálatához a kristályokat növesztő és a lézereket építő kutatóknak most azt kell elérniük, hogy az atommag „hangja” mintáról mintára ugyanaz maradjon.