Torio branduoliai valdo laikrodžius, kristalai juos išderina

Pirmą kartą lazerio dažnį palaiko ne atomo elektronai, o jo branduolys. Tokius laikrodžius sukūrė Vienos ir Pekino mokslininkų grupės, o jų darbai spalio 7 d. paskelbti žurnale Nature (Reuters). Torio branduolys nuolat koreguoja lazerio dažnį ir suteikia fizikams naują tyrimų priemonę. Vis dėlto menki dažnio poslinkiai, kuriuos sukelia torį laikančių kristalų savybės, kol kas trukdo šį laikrodį naudoti patikimam laiko matavimui.

Kiekvieno laikrodžio veikimą lemia ritmas ir jo korekcija. Švytuoklė siūbuoja, o laikrodininkas ją pataiso, kai laikrodis ima skubėti arba vėluoti. Atominiame laikrodyje korekciją atlieka fizika: lazerio dažnis nuolat lyginamas su atominiu perėjimu – šuoliu tarp dviejų energijos būsenų, kuriam būdingas tam tikras šviesos dažnis. Jis itin pastovus, nors atomo aplinka gali jį šiek tiek pakeisti.

Įprastame atominiame laikrodyje šuolį atlieka elektronas. Toris-229 išsiskiria tuo, kad jo branduolyje vykstantį perėjimą gali sužadinti ultravioletinis lazeris, nors daugumai branduolinių perėjimų reikia kur kas didesnės energijos spinduliuotės. Branduoliai taip pat labai maži, todėl, bent teoriškai, juos mažiau veikia pašaliniai elektriniai ir magnetiniai laukai nei aplink branduolį esantį elektronų debesį (Physics World).

Kaip branduolys perima valdymą

Abi komandos torį-229 įterpė į mažus kalcio fluorido kristalus ir per juos nukreipė tikslaus dažnio ultravioletinį lazerį. Pasiekus tikslų dažnį, branduoliai sugeria šiek tiek daugiau šviesos. Valdymo sistema nežymiai pakeičia lazerio dažnį į vieną ar kitą pusę nuo sugerties smailės, nustato, kurioje pusėje jis yra, ir koreguoja jį, kad dažnis grįžtų į smailės centrą (Vienos tyrimas Nature, Kinijos tyrimas Nature).

Panašiai veikia automobilio eismo juostos palaikymo sistema. Kamera nustato, kur yra juostos žymėjimas, o sistema nežymiai pakoreguoja vairą, kad automobilis liktų juostoje. Laikrodyje kameros vaidmenį atlieka sugerties signalas, o lazerio valdiklis pasuka vairą.

Naujovė – ši grįžtamojo ryšio sistema. Dar 2024 m. ankstesniuose bandymuose mokslininkams pavyko lazeriu sužadinti šį perėjimą (Physical Review Letters). Tačiau signalas dažniausiai būdavo aptinkamas pagal lėtą sužadintų branduolių švytėjimą, kuris pasirodo per vėlai, kad lazerį būtų galima koreguoti akimirksniu. Vieną kartą surasti radijo stotį – viena, o išlaikyti ją nustatytą – kas kita. Tiesioginė sugertis vyksta pakankamai greitai, kad būtų galima nuolat koreguoti dažnį.

Abi grupės šį rezultatą pasiekė nepriklausomai. TU Wien savo įrenginį vadina savaime stabilizuojamu branduoliniu laikrodžiu (TU Wien), o Kinijos tyrimui vadovavo mokslininkai iš Tsinghua University (Tsinghua). Tai, kad tą pačią idėją nepriklausomai įgyvendino dvi grupės, sustiprina įrodymus, jog ji veikia.

Tolygiai tiksi, bet dar nepakankamai tikslus

Laikrodžių tyrėjai vertina dvi skirtingas savybes. Stabilumas parodo, kaip tolygiai laikrodis tiksi nuo vieno momento iki kito. Šiuo požiūriu nė vienas prototipas dar neprilygsta jau naudojamiems optiniams atominiams laikrodžiams. Tikslumas parodo, ar laikrodis nuolat nerodo klaidingo laiko – kaip laikrodis, kuris tiksi visiškai tolygiai, bet nustatytas penkiomis minutėmis į priekį.

Kristalai kelia problemų dėl tikslumo. Kiekvienas torio branduolys yra įsitvirtinęs atskiroje kristalo vietoje, o vietinė mechaninė įtampa ar defektai gali šiek tiek pakeisti jo būdingą dažnį. Todėl rodmuo gali priklausyti nuo to, per kurią kristalo vietą eina lazerio spindulys. Pekino komanda aptiko viltingą ženklą: dviejuose atskirai užaugintuose kristaluose nustatyti dažniai buvo labai panašūs (Kinijos tyrimas Nature). Vis dėlto nė viena grupė dar nepateikė išsamaus visų galinčių dažnį iškreipti veiksnių įvertinimo.

Tiriant tamsiąją medžiagą

Net ir dar netikslus laikrodis fizikams jau naudingas. Kai kurios teorijos teigia, kad tamsioji medžiaga – nematoma medžiaga, sudaranti didžiąją Visatos masės dalį, – gali nežymiai ir ritmingai veikti jėgas, nuo kurių priklauso šie dažniai. Branduolinis ir elektroninis laikrodžiai tokį poveikį patirtų skirtingai, todėl jų dažnių santykis reguliariai kistų.

Vienos komanda torio laikrodį veikė greta įprasto atominio laikrodžio ir ieškojo būtent tokio ritmo. Jo neaptiko. Tyrimo autoriai teigia, kad rezultatas paneigia kai kuriuos konkrečius tamsiosios medžiagos modelius, bet ne pačios tamsiosios medžiagos egzistavimą (Vienos tyrimas Nature).

Oficialus sekundės apibrėžimas tebėra grindžiamas cezio atomais (BIPM), ir artimiausiu metu šie prototipai jo nepakeis. Tačiau jie parodė, kad branduolys gali reguliuoti veikiantį laikrodį. Kad jis tiktų patikimam laiko matavimui, reikia kristalų, kurie įtvirtintų torį nekeisdami jo dažnio. Šią problemą gali spręsti Vienos ir Pekino mokslininkai, auginantys kristalus.