Jądra toru sterują zegarem, kryształy zakłócają pomiar

Po raz pierwszy częstotliwość lasera stabilizuje jądro atomu, a nie jego elektrony. Tak działają zegary zbudowane niezależnie przez zespoły z Wiednia i Pekinu, opisane 7 października w „Nature” (Reuters). Jądro toru na bieżąco koryguje laser, dając fizykom nowe narzędzie. Na razie jego przydatność jako wzorca czasu ograniczają niewielkie zmiany częstotliwości powodowane przez kryształy, w których unieruchomiono atomy.

Każdy zegar łączy rytm z korektą. Wahadło się porusza, a zegarmistrz reguluje je, gdy zaczyna się spóźniać. W zegarze atomowym korektę zapewnia fizyka: częstotliwość lasera jest nieustannie porównywana z częstotliwością przejścia między dwoma stanami energii, które pochłaniają światło. Jest ona wyjątkowo stała, choć otoczenie atomu może ją nieznacznie zmieniać.

W konwencjonalnych zegarach atomowych takie przejście zachodzi w elektronie. Tor-229 jest wyjątkowy: w jego jądrze znajduje się przejście, które może wzbudzić światło lasera ultrafioletowego. Większość przejść jądrowych wymaga znacznie bardziej energetycznego promieniowania. Jądra są też bardzo małe, więc w założeniu słabiej zakłócają je przypadkowe pola elektryczne i magnetyczne niż otaczające je chmury elektronów (Physics World).

Gdy jądro przejmuje sterowanie

Oba zespoły umieściły tor-229 w niewielkich kryształach fluorku wapnia i skierowały przez nie wąską wiązkę lasera ultrafioletowego. Przy właściwej częstotliwości jądra pochłaniają nieco więcej światła. Układ sterujący przesuwa częstotliwość lasera na obie strony maksimum pochłaniania, sprawdza, po której stronie się znajduje, a następnie koryguje ją z powrotem ku środkowi (artykuł zespołu z Wiednia w „Nature”, artykuł zespołu z Chin w „Nature”).

Działa to podobnie do systemu utrzymywania samochodu na pasie ruchu. Kamera rozpoznaje linie na jezdni, a układ wprowadza drobne poprawki, by samochód pozostał między nimi. W zegarze rolę kamery odgrywa sygnał pochłaniania światła, a układ sterujący laserem — kierownicy.

Nowością jest właśnie ta pętla sprzężenia zwrotnego. Już w 2024 r. wcześniejsze eksperymenty pozwoliły wzbudzić to przejście światłem lasera („Physical Review Letters”). Sygnał wykrywano wtedy zwykle na podstawie powolnej poświaty emitowanej przez wzbudzone jądra. Pojawiała się zbyt późno, by korygować laser na bieżąco. Jednorazowe znalezienie stacji radiowej to co innego niż utrzymywanie odbioru: bezpośredni pomiar pochłaniania światła pozwala na to drugie.

Oba zespoły doszły do tego rozwiązania niezależnie. TU Wien opisuje swój układ jako samostabilizujący się zegar jądrowy (TU Wien), a pracami zespołu chińskiego kierował Tsinghua University (Tsinghua). Dwa niezależne urządzenia oparte na tej samej idei dają mocniejszy argument za jej wykonalnością niż jeden prototyp.

Stabilny, ale jeszcze nie dokładny

Naukowcy oceniają zegary pod dwoma względami. Stabilność mówi, jak równy jest ich chód z chwili na chwilę; pod tym względem oba prototypy wciąż ustępują sprawdzonym optycznym zegarom atomowym. Dokładność odpowiada na inne pytanie: czy zegar nie wskazuje stale niewłaściwej częstotliwości — jak zegarek, który chodzi równo, ale spieszy się o pięć minut.

Problem z dokładnością wynika z kryształu. Każde jądro toru znajduje się w innym mikroskopijnym otoczeniu, a lokalne naprężenia lub defekty mogą zmieniać jego charakterystyczną częstotliwość. Odczyt może więc zależeć od tego, przez którą część kryształu przechodzi laser. Zespół z Pekinu zauważył obiecujący sygnał: częstotliwości zmierzone w dwóch osobno wyhodowanych kryształach były do siebie zbliżone (artykuł zespołu z Chin w „Nature”). Żaden z zespołów nie przedstawił jeszcze pełnego zestawienia wszystkich czynników, które mogłyby zniekształcać pomiar.

Poszukiwanie ciemnej materii

Nawet niedoskonały zegar może już służyć fizykom. Według niektórych teorii ciemna materia — niewidzialna substancja, której przypisuje się większość masy Wszechświata — może delikatnie i rytmicznie wpływać na siły wyznaczające częstotliwości. Zegar jądrowy i zegar oparty na elektronach reagowałyby na ten wpływ inaczej, więc stosunek ich częstotliwości zmieniałby się w regularnym rytmie.

Zespół z Wiednia porównywał wskazania swojego zegara torowego z konwencjonalnym zegarem atomowym, szukając właśnie takiego rytmu. Nie wykrył go. Autorzy piszą, że wynik wyklucza niektóre konkretne modele ciemnej materii, ale nie obala samej hipotezy o jej istnieniu (artykuł zespołu z Wiednia w „Nature”).

Oficjalna definicja sekundy nadal opiera się na atomach cezu (BIPM), a nowe prototypy nie zmienią jej w najbliższym czasie. Pokazały jednak, że jądro może sterować pracującym zegarem. O tym, czy da się zbudować z niego niezawodny wzorzec czasu, zdecyduje teraz jakość kryształów: muszą utrzymywać tor w miejscu, nie zmieniając jego częstotliwości. Nad tym problemem pracują zespoły hodujące kryształy w Wiedniu i Pekinie.