Zegary torowe wciąż przegrywają z optycznymi

Zespoły z Wiednia i Pekinu zbudowały pierwsze zegary, które utrzymują laser na częstotliwości przejścia energetycznego w jądrze atomowym. Jako wzorzec wykorzystały tor-229 (Reuters). Wieloletni pomysł doczekał się więc działających urządzeń laboratoryjnych. Fizyk Kyle Beloy z NIST powiedział serwisowi Chemical & Engineering News, że prototypy pod względem dokładności i stabilności wciąż „ustępują najlepszym zegarom optycznym o całe rzędy wielkości” (C&EN).

Fizycy chcą wykorzystać jądro jako wzorzec, bo reaguje ono na inne oddziaływania niż elektrony, na których opierają się zwykłe zegary atomowe. Porównanie obu rodzajów zegarów daje nowy sposób sprawdzenia, czy prawa przyrody pozostają niezmienne.

Jak kryształ staje się zegarem

Oba zespoły przepuszczają światło lasera ultrafioletowego przez kryształy domieszkowane torem-229 i szukają niewielkiego spadku natężenia światła, które z nich wychodzi (To Brief). Spadek pojawia się, gdy laser trafia na dokładnie taką częstotliwość, jaką pochłaniają jądra. Fizycy nazywają to miejsce rezonansem.

Samo znalezienie spadku jest łatwiejsze niż utrzymanie lasera na tej częstotliwości. Dlatego zespoły sprawdzają absorpcję nieco powyżej i nieco poniżej wybranej częstotliwości. Gdy laser trafia dokładnie w środek, po obu stronach absorpcja jest taka sama. Jeśli częstotliwość odpływa, jedna strona pochłania więcej światła. Ta różnica podpowiada układowi sterującemu, w którą stronę dostroić laser.

Można to sobie wyobrazić jak wędrówkę we mgle po wzgórzu. Szczytu nie widać, ale krok w lewo i krok w prawo mówią, w którą stronę teren się wznosi. Ciągłe korekty pozwalają utrzymać laser w punkcie odniesienia, a jego częstotliwość odmierza czas.

Trzy sposoby, na jakie zegar może zawodzić

Trzy pojęcia łatwo wyjaśnić na przykładzie wagi łazienkowej i odważnika kalibracyjnego. Stabilność mówi, jak bardzo zmienia się wskazanie, gdy odważnik leży na wadze. Powtarzalność — czy jutro waga pokaże dla niego ten sam wynik. Dokładność — czy wynik odpowiada rzeczywistej masie odważnika.

Stabilność fizycy opisują „współczynnikiem niestabilności”: miarą tego, jak bardzo waha się tempo tykania zegara, uśrednioną w czasie. Im niższa wartość, tym lepiej. Zespół z Pekinu podał 5 × 10⁻¹³ na podstawie zapisu trwającego 3,8 godziny (manuskrypt z Pekinu). Zegar z Wiednia działał bez nadzoru przez całą dobę; jego współczynnik wyniósł 3 × 10⁻¹² (artykuł wiedeńskiego zespołu w Nature).

Dla porównania: opublikowany wynik zegara atomowego wykorzystującego jon glinu to około 3,5 × 10⁻¹⁶ (artykuł o zegarze na jonie glinu, rekord NIST). Każdy kolejny poziom wykładnika oznacza dziesięciokrotną różnicę — stąd „rzędy wielkości”, o których mówi Beloy. Zespoły z Pekinu i Wiednia użyły jednak różnych układów i uśredniały pomiary przez różny czas, więc niższy wynik z Pekinu nie oznacza, że jego zegar jest ogólnie lepszy.

Te liczby opisują tylko krótkookresowe wahania. Żaden z zespołów nie przedstawił jeszcze pełnego bilansu dokładności, który uwzględniałby wszystkie czynniki mogące odsunąć zegar od jego rzeczywistej częstotliwości. Skali różnicy w dokładności nie da się więc na razie wyrazić liczbami.

Wzorzec, który wciąż się przesuwa

Zmierzony pik absorpcji jest szeroki. W Pekinie miał około 27 kilohertzów (Physics World). To rozmyty cel: układowi sterującemu trudniej precyzyjnie wyznaczyć jego środek.

Drugi problem ujawnił się w Wiedniu. Zespół skierował wiązkę lasera w pięć różnych miejsc tego samego kryształu. Środek rezonansu przesuwał się nawet o około 1,7 kilohertza, choć losowy rozrzut pomiarów tłumaczyłby zaledwie około 0,13 kilohertza (manuskrypt wiedeńskiego zespołu). Innymi słowy, częstotliwość wzorcowa pozornie zmieniała się zależnie od tego, gdzie padała wiązka — jak wskazanie wagi, które zależy od miejsca położenia odważnika.

Zespół nie ustalił jeszcze przyczyny. Wśród proponowanych sposobów zaradzenia problemowi jest zapewnienie wiązce powtarzalnej drogi. Nierównomierność pomiarów pomaga wyjaśnić, dlaczego częstotliwości z kolejnych dni zgadzały się w Wiedniu tylko z dokładnością około 5 × 10⁻¹³ (artykuł wiedeńskiego zespołu w Nature) — gorzej, niż sugerował pojedynczy pomiar.

Zespoły z Wiednia i Pekinu pokazały, że jądra w krysztale mogą sterować laserem i utrzymywać go na wybranej częstotliwości przez wiele godzin, a nawet całą dobę. Zmierzona stabilność zegarów wciąż wyraźnie ustępuje stabilności najlepszych zegarów optycznych, a ich dokładności dotąd nie oceniono. Oficjalna sekunda nadal jest definiowana przez atom cezu (BIPM). Kolejny etap jest konkretny: powtarzać pomiary w kolejnych dniach i na różnych urządzeniach, uwzględnić wszystkie przesunięcia systematyczne, a potem przez dłuższy czas porównywać zegary bezpośrednio z zegarami optycznymi.