Vīnes kodolpulkstenis darbojas, bet svārstās

2026. gada 7. oktobrī žurnālā Nature divas pētnieku grupas ziņoja par pulksteņiem, kas darbības laikā saglabā sinhronizāciju ar atoma kodolu (Vīnes pētījums, Pekinas pētījums). Vīnes prototips darbojās vairāk nekā 24 stundas bez cilvēka iejaukšanās (Vīnes pilnais teksts, Pro-Physik). Abi pulksteņi vēl ir krietni nestabilāki par labākajiem atomu pulksteņiem. Toties tie piedāvā jaunu atskaites punktu, ar kuru varētu pārbaudīt, vai dabas pamatkonstantes laika gaitā mainās.

Iedomājieties dziedātāju, kura noti salīdzina ar kamertoni. Ja balss novirzās, viņa sadzird atšķirību un pielāgo toni. Optiskie atomu pulksteņi darbojas līdzīgi: ritmu nosaka lāzers, bet par kamertoni kalpo elektronu pāreja starp atoma enerģijas līmeņiem.

Torija-229 gadījumā kamertonis atrodas kodolā. Ultravioletā gaisma aptuveni 148 nanometru viļņa garumā var ierosināt kodolu pāriet citā enerģijas stāvoklī (PTB paziņojums). Abas grupas iestrādāja toriju kalcija fluorīda kristālos — caurspīdīgā materiālā, kas atomus notur vietā. Kad lāzers noregulēts precīzajā frekvencē, kodoli absorbē nelielu daļu cauri plūstošās gaismas.

Šis niecīgais gaismas pavājinājums kalpo par atgriezenisko saiti. Elektronika nedaudz maina lāzera frekvenci, un detektors pārbauda, vai gaisma pavājinās vairāk vienā vai otrā pusē no mērķa frekvences. Tā vadības sistēma nosaka, uz kuru pusi lāzeru pieregulēt, līdzīgi kā dziedātāja sadzird, vai nots ir par augstu vai zemu.

2024. gadā pētnieki parādīja, ka ar lāzeru vispār iespējams ierosināt šo kodola pāreju (2024. gada pētījums par ierosināšanu). Jaunais solis, par ko rakstījām trešdien (To Brief), ir nepārtraukti darbojošās atgriezeniskās saites sistēmas izveide. Kamēr pulkstenis darbojas, kodols palīdz noturēt lāzeru precīzi noregulētu.

Divas laboratorijas, divi veidi, kā stabilizēt lāzera frekvenci

Vīnes sistēmā darbs sadalīts divās daļās. Optiskais rezonators — divi pretī novietoti spoguļi, kuros ieslēgta gaisma, — samazina lāzera īstermiņa svārstības. Torija signāls savukārt koriģē lēnāku frekvences novirzi, ko rezonators viens pats nespēj novērst (TU Wien). Kristālu izaudzēja TU Wien, bet ultravioletā lāzera izveidē sadarbojās Vācijas metroloģijas institūts PTB un Berlīnes Max Born Institute (PTB pētnieku grupa).

Tsinghua University vadītā Pekinas pētnieku grupa ziņoja par zemāku nestabilitātes rādītāju nekā Vīnes komanda. Tas parāda, cik daudz pulksteņa frekvence svārstās noteiktā vidēšanas intervālā; jo mazāks skaitlis, jo stabilāks pulkstenis. Pekinas rādītājs bija 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), bet Vīnes — 3 × 10⁻¹² (Vīnes pilnais teksts).

Pekinas grupa salīdzināja arī divus atsevišķi izaudzētus kristālus. To frekvences atšķīrās tikai par 2,8 × 10⁻¹³ relatīvā izteiksmē (Pekinas pētījums). Gandrīz vienādais rezultāts ir pirmā pazīme, ka kodola pāreju var izmantot kā atkārtojamu atskaites frekvenci.

Atomu pulksteņi joprojām ir daudz stabilāki

Salīdzinājumā ar labākajiem pulksteņiem, kas balstās uz elektronu pārejām, abu jauno prototipu frekvence svārstās daudz vairāk. NIST alumīnija jona pulksteņa nestabilitāte ir tik maza, ka Vīnes rādītājs ir aptuveni 8600 reižu lielāks, bet Pekinas — aptuveni 1400 reižu lielāks (NIST, NIST pētījums par alumīnija jona pulksteni).

Vīnes pētnieki saskārās arī ar grūti novēršamu materiāla problēmu. Mainot lāzera kūļa trajektoriju kristālā, izmērītā frekvence mainījās līdz pat aptuveni 1,7 kilohertzi — vairāk, nekā var izskaidrot ar mērījumu troksni. Iespējamais cēlonis ir kristāla iekšējie spriegumi un defekti (Vīnes pilnais teksts). Pētniekiem vēl jāpārbauda, vai kvalitatīvāki kristāli un precīzāka kūļa novietojuma kontrole šo novirzi samazinās.

Kāpēc turpināt darbu pie pulksteņa, kas stabilitātē tik ļoti atpaliek? Divu pulksteņu salīdzinājums var kļūt par detektoru, ja tie balstās uz atšķirīgiem fizikāliem procesiem. Vīnes grupa savu pulksteni salīdzināja ar iterbija jona pulksteni Austrijas metroloģijas birojā BEV. Tas kalpoja tikai par etalonu un nebija iekļauts atgriezeniskās saites sistēmā. Pētnieki norāda, ka dabas pamatkonstanšu izmaiņas kodola pāreju ietekmētu citādi nekā elektronu pārejas (Vīnes pētījums).

Daži tumšās matērijas modeļi paredz tieši šādas izmaiņas, kas izpaustos kā lēnas, ritmiskas frekvences svārstības. Vīnes grupa meklēja tās pulksteņu salīdzinājumā, taču signālu, kas pārsniegtu noteikšanas robežu, neatrada. Rezultāts nosaka augšējo robežu tam, cik spēcīgas šādas izmaiņas varētu būt; tas nav atklājums.

Sekundes oficiālā definīcija joprojām balstās uz cēzija atoma pārejas frekvenci, un jaunie prototipi to nemaina (BIPM). Vīnes eksperiments parādījis, ka kodols spēj noturēt lāzeru noregulētu veselu diennakti, bet Pekinas grupa — ka divi kristāli var dot gandrīz vienādu rezultātu. Lai šāds etalons kļūtu par precīzāku fizikas likumu pārbaudes rīku, kristālu audzētājiem un lāzeru veidotājiem jāpanāk, lai katra parauga radītā kodola pārejas frekvence būtu vienāda.