Torio laikrodžiai veikia, bet atsilieka

Vienos ir Pekino mokslininkų grupės sukūrė pirmuosius laikrodžius, kuriuose lazerio dažnis užfiksuojamas pagal perėjimą atomo branduolyje, o atskaitai naudojamas toris-229 (Reuters). Taip ilgai svarstyta idėja virto veikiančia laboratorine įranga. NIST fizikas Kailas Beloy'us leidiniui „Chemical & Engineering News“ sakė, kad prototipai tikslumu ir stabilumu nuo geriausių optinių atominių laikrodžių atsilieka keliais dydžio laipsniais (C&EN).

Fizikams branduolys patrauklus kaip atskaitos taškas, nes jį veikia kitokios sąveikos nei elektronus, kuriais remiasi įprasti atominiai laikrodžiai. Palyginus šiuos laikrodžius galima nauju būdu patikrinti, ar gamtos dėsniai laikui bėgant išlieka tokie patys.

Kaip kristalas tampa laikrodžiu

Abi grupės ultravioletiniu lazeriu apšviečia torio-229 priemaišų turinčius kristalus ir ieško nedidelio šviesos intensyvumo kritimo iš kristalo išeinančiame spindulyje (To Brief). Jis atsiranda, kai lazerio dažnis sutampa su dažniu, kuriuo branduoliai sugeria šviesą. Fizikai šį dažnį vadina rezonansu.

Vieną kartą aptikti šį kritimą paprasčiau nei išlaikyti lazerį ties juo. Todėl grupės tikrina sugertį truputį aukščiau ir žemiau pasirinkto dažnio. Kai lazeris tiksliai nustatytas, branduoliai vienodai sugeria abiejų dažnių šviesą. Lazerio dažniui nukrypus, vienoje pusėje sugertis padidėja, o šis skirtumas valdikliui parodo, į kurią pusę dažnį koreguoti.

Įsivaizduokite, kad stovite ant kalvos viršūnės tvyrant rūkui. Viršūnės nematyti, bet žingsnis į kairę ar dešinę parodo, į kurią pusę leidžiasi šlaitas. Nuolat pagal tai koreguojamas lazeris tampa laikrodžiu.

Trys laikrodžio veikimo rodikliai

Vonios svarstyklės ir kontrolinis svarelis padeda atskirti tris sąvokas. Stabilumas parodo, kiek svyruoja rodmuo, kol svarelis guli ant svarstyklių. Pakartojamumas – ar kitą dieną tos pačios svarstyklės tam pačiam svareliui rodo tą patį skaičių. Tikslumas – ar rodmuo atitinka tikrąją svarelio masę.

Stabilumui fizikai apibūdinti naudoja „nestabilumo koeficientą“: jis parodo, kiek vidutiniškai kinta laikrodžio tiksėjimo dažnis per tam tikrą laiką. Kuo koeficientas mažesnis, tuo geriau. Pekino grupė nurodė 5 × 10⁻¹³ rodiklį, apskaičiuotą iš 3,8 valandos trukmės įrašo (Beijing manuscript). Vienos laikrodis be priežiūros veikė visą parą; jo rodiklis siekė 3 × 10⁻¹² (Vienna Nature paper).

Palyginimui, publikuoto aliuminio jonų atominio laikrodžio rodiklis siekia apie 3,5 × 10⁻¹⁶ (aluminium-ion clock paper, NIST record). Kiekvienas laipsnio pokytis rodiklio išraiškoje reiškia dešimteriopą skirtumą – tokį atotrūkį ir turėjo omenyje Beloy'us. Branduolinius laikrodžius Pekino ir Vienos grupės bandė skirtingomis sąlygomis ir skirtingą laiką, todėl mažesnis Pekino rodiklis savaime nereiškia, kad šis laikrodis geresnis.

Šie skaičiai apibūdina tik trumpalaikius svyravimus. Nė viena grupė dar nepateikė išsamios tikslumo paklaidų apskaitos – visų veiksnių, galinčių nukreipti laikrodį nuo tikrojo dažnio, įvertinimo. Todėl tikslumo atotrūkio kol kas negalima išreikšti skaičiais.

Taikinys, kurio centrą sunku nustatyti

Išmatuota sugerties smailė taip pat plati. Pekino grupės pasirinktos smailės plotis siekė apie 27 kilohertus (Physics World). Plati smailė reiškia neapibrėžtesnį taikinį: valdikliui sunkiau nustatyti tikslų jos centrą.

Antroji problema išryškėjo Vienoje. Grupė tame pačiame kristale nukreipė lazerio spindulį į penkis taškus ir nustatė, kad rezonanso centras pasislinkdavo iki maždaug 1,7 kilohertzo, nors atsitiktinė matavimo sklaida galėjo paaiškinti tik apie 0,13 kilohertzo (Vienna manuscript). Kitaip tariant, regis, atskaitinis dažnis keitėsi priklausomai nuo to, kur kristale pataikydavo spindulys – tarsi svarstyklės rodytų skirtingai, atsižvelgiant į tai, kur padėtas svarelis.

Grupė dar nenustatė šio reiškinio priežasties; vienas iš siūlomų sprendimų – kaskart tiksliai pakartoti spindulio kelią. Šis netolygumas padeda paaiškinti, kodėl skirtingomis dienomis Vienos laikrodžio išmatuoti dažniai sutapo tik maždaug 5 × 10⁻¹³ lygiu (Vienna Nature paper) – prasčiau, nei rodytų bet kuris atskiras matavimas.

Vienos ir Pekino grupės parodė, kad kristale esantys branduoliai gali valdyti lazerį ir išlaikyti jo dažnį užfiksuotą valandų valandas, o Vienos bandyme – visą parą. Išmatuotas laikrodžių stabilumas gerokai atsilieka nuo pirmaujančių optinių laikrodžių, o tikslumas dar neįvertintas. Tarptautinį sekundės apibrėžimą vis dar lemia cezio atomas (BIPM). Kitas konkretus žingsnis – pakartoti matavimus skirtingomis dienomis ir skirtingais įrenginiais, įvertinti visus sisteminius poslinkius, o tada ilgą laiką šiuos laikrodžius tiesiogiai lyginti su optiniais.