Torija kodoli vada pulksteņus, kristāli kropļo precizitāti

Pirmoreiz lāzera frekvenci notur atomu kodola, nevis elektronu pāreja. Šādu pulksteni izveidojušas pētnieku grupas Vīnē un Pekinā; par to 2026. gada 7. oktobrī ziņoja žurnāls Nature (Reuters). Torija kodola pārejas signāls ļauj nepārtraukti koriģēt lāzera frekvenci un dod fiziķiem jaunu mērīšanas rīku. Taču nelielas frekvences nobīdes, ko rada kristāli, kuros torijs iestrādāts, pagaidām liedz ierīci izmantot kā uzticamu pulksteni.

Ikvienam pulkstenim vajadzīgs ritms un korekcija. Svārsts kustas, un pulksteņmeistars to pieregulē, ja tas sāk atpalikt vai steigties. Atompulkstenī korekciju nodrošina pati fizika: lāzera frekvenci nepārtraukti salīdzina ar pāreju starp diviem enerģijas stāvokļiem. Šajā pārejā atoms absorbē gaismu noteiktā frekvencē. Tā ir ārkārtīgi nemainīga, lai gan atomu apkārtējā vide to var nedaudz ietekmēt.

Parastajos atompulksteņos pāreju veic elektrons. Torijam-229 ir neparasta pāreja kodolā, ko var ierosināt ar ultravioletu lāzeru; vairumam kodolu pāreju vajadzīgs daudz enerģētiskāks starojums. Arī kodoli ir ļoti mazi, tāpēc tos teorētiski mazāk ietekmē nejauši elektriskie un magnētiskie lauki nekā elektronu apvalkus (Physics World).

Kad kodols pārņem vadību

Abas grupas iestrādāja torija-229 kodolus nelielos kalcija fluorīda kristālos un raidīja tiem cauri šauras frekvenču joslas ultravioleto lāzera staru. Kad frekvence ir precīzi noregulēta, kodoli absorbē mazliet vairāk gaismas. Vadības sistēma pārbauda, kā lāzers darbojas abpus absorbcijas maksimumam, nosaka, kurā pusē atrodas tā frekvence, un pieregulē to atpakaļ uz centru (Vīnes pētījums žurnālā Nature, Ķīnas pētījums žurnālā Nature).

Tas līdzinās automašīnas sistēmai, kas palīdz noturēties joslā. Kamera nosaka joslas marķējuma stāvokli, un sistēma ar nelielām stūres kustībām notur automašīnu starp līnijām. Pulkstenī absorbcijas signāls pilda kameras lomu, bet lāzera vadības sistēma pagriež stūri.

Jaunums ir šī atgriezeniskās saites cilpa. Jau 2024. gadā citā eksperimentā ar lāzera gaismu bija ierosināta šī pāreja (Physical Review Letters). Toreiz signālu parasti noteica pēc ierosināto kodolu lēnās pēcspīdēšanas, kas pienāk pārāk vēlu, lai lāzeru koriģētu ik brīdi. Vienreiz atrast radiofrekvenci ir kas cits nekā tajā noturēties; tiešā absorbcija ir pietiekami ātra, lai to darītu.

Abas grupas pie rezultāta nonāca neatkarīgi. TU Wien savu ierīci raksturo kā pašstabilizējošu kodolu pulksteni (TU Wien), savukārt Ķīnas pētījumu vadīja Tsinghua University (Tsinghua). Divi neatkarīgi vienas pieejas izmēģinājumi ir pārliecinošāks pamats nekā viens.

Pulkstenis ir stabils, bet vēl neprecīzs

Pulksteņu pētnieki vērtē divas atšķirīgas īpašības. Stabilitāte rāda, cik vienmērīgs ir pulksteņa ritms. Šajā ziņā abi prototipi vēl atpaliek no jau izveidotajiem optiskajiem atompulksteņiem. Precizitāte rāda, vai pulkstenis pastāvīgi rāda nepareizu laiku — līdzīgi pulkstenim, kas tikšķ vienmērīgi, bet ir iestatīts piecas minūtes uz priekšu.

Precizitāti ietekmē kristāls. Katrs torija kodols atrodas savā kristāla vietā, un vietējs spriegums vai defekti var nedaudz nobīdīt tam raksturīgo frekvenci. Tāpēc rādījums var būt atkarīgs no tā, kur kristālam cauri virza lāzeru. Pekinas grupa atrada iepriecinošu pazīmi: divos atsevišķi izaudzētos kristālos izmērītās frekvences bija ļoti līdzīgas (Ķīnas pētījums žurnālā Nature). Neviena no grupām vēl nav pilnībā izvērtējusi visus iespējamos faktorus, kas varētu nobīdīt frekvenci.

Tumšās matērijas meklējumos

Arī vēl nepilnīgs pulkstenis jau noder fiziķiem. Dažas teorijas paredz, ka tumšā matērija — neredzamā viela, kas veido lielāko daļu Visuma masas, — varētu viegli un periodiski ietekmēt mijiedarbības, kuras nosaka šīs frekvences. Kodolpulkstenis un elektronu pārejās balstīts pulkstenis šo ietekmi sajustu atšķirīgi, tāpēc to tikšķēšanas frekvenču attiecība regulāri mainītos.

Vīnē torija pulksteni darbināja līdzās parastam atompulkstenim un meklēja tieši šādas svārstības. Tās neatrada. Pētījuma autori norāda, ka rezultāts izslēdz dažus konkrētus tumšās matērijas modeļus, nevis tumšās matērijas pastāvēšanu vispār (Vīnes pētījums žurnālā Nature).

Sekundes oficiālā definīcija joprojām balstās uz cēzija atomiem (BIPM), un jaunie prototipi to tuvākajā laikā nemainīs. Tie ir parādījuši, ka kodols spēj vadīt strādājošu pulksteni. Lai šādu ierīci varētu izmantot uzticamai laika mērīšanai, vajadzīgi kristāli, kas notur toriju, nenobīdot tā frekvenci. Šīs problēmas risinājums lielā mērā ir pētnieku rokās Vīnē un Pekinā.