Vienos branduolinis laikrodis veikia, bet svyruoja

Spalio 7 d. žurnale „Nature“ dvi mokslininkų grupės pranešė sukūrusios laikrodžius, kurių veikimą nuolat sinchronizuoja atomo branduolys (Vienos grupės straipsnis, Pekino grupės straipsnis). Vienos prototipas veikė daugiau nei 24 valandas be žmogaus įsikišimo (visas Vienos grupės straipsnio tekstas, Pro-Physik). Abu laikrodžiai dar gerokai mažiau stabilūs už geriausius atominius laikrodžius. Tačiau jie suteikia naują atskaitos etaloną, kuris galėtų padėti nustatyti, ar keičiasi pagrindinės fizikos konstantos.

Įsivaizduokite dainininkę, laikančią natą pagal kamertoną. Kai balsas nukrypsta, ji išgirsta neatitikimą ir pasitaiso. Optiniai atominiai laikrodžiai veikia panašiai: lazeris palaiko ritmą, o atomo elektronų energijos lygmenų šuolis atlieka kamertono vaidmenį.

Torio-229 atveju kamertonas yra pačiame branduolyje. Veikiamas maždaug 148 nanometrų ultravioletinės šviesos, branduolys gali pereiti iš vienos būsenos į kitą (PTB pranešimas). Abi grupės torio atomus įterpė į kalcio fluorido kristalus – skaidrią medžiagą, kuri išlaiko atomus vietoje. Kai lazerio dažnis tiksliai sutampa su reikiamu dažniu, branduoliai sugeria nedidelę pro kristalą sklindančios šviesos dalį.

Šį menką šviesos pritemimą laikrodis „girdi“. Elektronika truputį keičia lazerio dažnį į abi puses, o detektorius patikrina, kurioje pusėje šviesa pritemsta labiau. Pagal tai valdiklis nustato, kuria kryptimi koreguoti lazerį, kad dažnis grįžtų į centrą – kaip dainininkė išgirsta, ar nata per aukšta, ar per žema.

2024 m. mokslininkai parodė, kad lazeriu apskritai galima sužadinti šį branduolio perėjimą (2024 m. eksperimentas). Naujas žingsnis, apie kurį rašėme trečiadienį (To Brief), yra nuolat veikianti grįžtamojo ryšio sistema. Kol laikrodis veikia, branduolys padeda išlaikyti tikslų lazerio dažnį.

Dvi laboratorijos, du būdai stabilizuoti spindulį

Vienos komanda darbą padalijo į dvi dalis. Optinė ertmė – du vienas į kitą atgręžti veidrodžiai, tarp kurių įkalinta šviesa – slopina greitus lazerio svyravimus. Torio signalas koreguoja lėtą dažnio dreifą, kurio ertmė pati neaptinka (TU Wien). Kristalą užaugino TU Wien, o ultravioletinį lazerį pagamino Vokietijos metrologijos institutas PTB ir Berlyne veikiantis Max Born Institute (PTB tyrimų grupė).

Pekino komanda, vadovaujama Tsinghua University (Tsinghua), nustatė mažesnį nestabilumo koeficientą nei Vienos grupė. Šis dydis rodo, kiek kinta laikrodžio dažnis per trumpus vidurkinimo laikotarpius; kuo jis mažesnis, tuo laikrodis stabilesnis. Pekino laikrodžio koeficientas siekė 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), Vienos – 3 × 10⁻¹² (visas Vienos grupės straipsnio tekstas).

Pekino komanda taip pat palygino du atskirai užaugintus kristalus: jų dažniai santykine išraiška skyrėsi vos 2,8 × 10⁻¹³ (Pekino grupės straipsnis). Du skirtingose dirbtuvėse pagaminti kamertonai skambėjo beveik ta pačia nata. Tai pirmasis ženklas, kad branduolinį etaloną galima atkurti pakartotinai.

Iki atominių laikrodžių tikslumo dar toli

Palyginti su geriausiais elektronų perėjimais pagrįstais laikrodžiais, abu prototipai svyruoja gerokai labiau. NIST aliuminio jono laikrodis toks stabilus, kad Vienos laikrodžio nestabilumas maždaug 8 600 kartų didesnis, o Pekino – apie 1 400 kartų (NIST, NIST straipsnis apie aliuminio jonų laikrodį).

Vienos komanda susidūrė ir su sunkiai pašalinama medžiagos problema. Pakeitus lazerio spindulio kelią kristale, išmatuotas dažnis pakito iki maždaug 1,7 kiloherto – daugiau, nei galima paaiškinti matavimo triukšmu. Tikėtina, kad tam įtakos turi kristalo įtempiai ir defektai (visas Vienos grupės straipsnio tekstas). Reikia patikrinti, ar geresni kristalai ir tikslesnė spindulio kelio kontrolė sumažins šį nuokrypį.

Kam kurti laikrodį, kuris taip smarkiai atsilieka? Skirtingais fizikiniais procesais pagrįstų laikrodžių palyginimas gali padėti aptikti gamtos konstantų pokyčius. Vienos branduolinis laikrodis veikė greta iterbio jono laikrodžio Austrijos metrologijos biure BEV; šis buvo tik palyginimo etalonas ir nedalyvavo grįžtamojo ryšio grandinėje. Komandos vertinimu, branduolinis perėjimas į konstantų pokyčius reaguotų kitaip nei elektronų perėjimais pagrįsti laikrodžiai (Vienos grupės straipsnis).

Kai kurie tamsiosios materijos modeliai numato būtent tokius lėtus, periodinius pokyčius. Vienos grupė ieškojo šių svyravimų, bet aptikimo ribą viršijančio signalo nerado. Rezultatas leidžia nustatyti, kokio stiprumo toks poveikis galėtų būti, tačiau jo aptikimu nelaikomas.

Tarptautinės vienetų sistemos sekundė vis dar apibrėžiama pagal cezio atomus, o šie prototipai šios apibrėžties nekeičia (BIPM). Vienos grupė parodė, kad branduolys gali visą parą išlaikyti lazerio dažnį, o Pekino – kad dviejų kristalų rodmenys gali beveik sutapti. Dabar kristalų augintojams ir lazerių kūrėjams teks šį rezultatą paversti tikslesniu fizikos dėsnių tyrimo įrankiu: branduolinio perėjimo dažnis turi kuo mažiau skirtis skirtinguose mėginiuose.