Vienna: zegar jądrowy wciąż się chwieje

Nowy rodzaj wzorca może pomóc sprawdzić, czy podstawowe stałe fizyki zmieniają się w czasie. Dwa zespoły opisały w „Nature” 7 października 2026 r. zegary, które podczas pracy utrzymują laser w rezonansie z jądrem atomu (praca wiedeńska, praca pekińska). Wiedeński prototyp działał ponad 24 godziny bez ingerencji człowieka (pełny tekst pracy wiedeńskiej, Pro-Physik). Oba zegary są jednak znacznie mniej stabilne niż najlepsze zegary atomowe.

Można to porównać do śpiewaczki, która trzyma dźwięk przy kamertonie. Gdy jej głos zaczyna odbiegać od wzorca, słyszy różnicę i koryguje ton. Tak działają optyczne zegary atomowe: rytm wyznacza laser, a rolę kamertonu pełni przejście elektronu między poziomami energetycznymi atomu.

W torze-229 wzorzec znajduje się wewnątrz jądra atomowego. Pod wpływem światła ultrafioletowego o długości fali bliskiej 148 nanometrów jądro może przejść między dwoma stanami (komunikat PTB). Oba zespoły umieściły tor w kryształach fluorku wapnia, przezroczystym materiale, który utrzymuje atomy na miejscu. Gdy laser osiąga właściwą częstotliwość, jądra pochłaniają niewielką część przechodzącego przez kryształ światła.

To słabe przygaszenie światła pozwala zegarowi wykryć odchylenie. Układ elektroniczny nieznacznie zmienia częstotliwość lasera w obie strony, a detektor sprawdza, po której stronie światło przygasa mocniej. Sterownik wie wtedy, w którą stronę skorygować laser, by wrócił do właściwej częstotliwości — tak jak śpiewaczka słyszy, czy śpiewa za wysoko, czy za nisko.

W 2024 r. naukowcy wykazali, że laser w ogóle potrafi wzbudzić to przejście jądrowe (praca o wzbudzeniu z 2024 r.). Opisany w środę kolejny krok (To Brief) polega na uruchomieniu ciągłej pętli sprzężenia zwrotnego: jądro utrzymuje laser w rezonansie przez cały czas pracy zegara.

Dwa laboratoria, dwa sposoby stabilizacji wiązki

Wiedeński zespół rozdzielił zadania. Wnęka optyczna — układ dwóch zwierciadeł, między którymi krąży światło — ogranicza krótkotrwałe wahania lasera. Sygnał z toru koryguje z kolei powolne zmiany, których wnęka nie potrafi wychwycić. Kryształ wyhodował TU Wien, a ultrafioletowy laser zbudował niemiecki instytut metrologiczny PTB wraz z berlińskim Max Born Institute (TU Wien, grupa badawcza PTB).

Zespół z Pekinu, kierowany przez Tsinghua University (Tsinghua), podał niższy współczynnik niestabilności niż zespół wiedeński. Współczynnik ten opisuje, jak bardzo zmienia się tempo pracy zegara w krótkich przedziałach uśredniania; im mniejszy, tym lepiej. W Pekinie wyniósł 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), a w Wiedniu 3 × 10⁻¹² (pełny tekst pracy wiedeńskiej).

Zespół z Pekinu porównał też dwa osobno wyhodowane kryształy. Częstotliwości zegarów różniły się względnie zaledwie o 2,8 × 10⁻¹³ (praca pekińska). To tak, jakby kamertony wykonane w dwóch warsztatach wydawały niemal ten sam dźwięk. Wynik wskazuje, że wzorzec jądrowy można odtworzyć w kolejnych kryształach.

Wciąż daleko do zegarów atomowych

Na tle najlepszych zegarów opartych na elektronach oba prototypy wyraźnie ustępują stabilnością. Zegar NIST wykorzystujący jon glinu jest na tyle stabilny, że niestabilność zegara wiedeńskiego jest około 8 600 razy większa, a pekińskiego — około 1 400 razy większa (NIST, praca NIST o jonie glinu).

Wiedeński zespół napotkał też trudny do usunięcia problem z materiałem. Zmiana miejsca, w którym laser przechodził przez kryształ, przesuwała zmierzoną częstotliwość nawet o około 1,7 kilohertza — więcej, niż można wyjaśnić szumem pomiarowym. Przyczyną mogą być naprężenia i defekty kryształu (pełny tekst pracy wiedeńskiej). Naukowcy muszą sprawdzić, czy lepsza jakość kryształów i dokładniejsza kontrola toru wiązki ograniczą te przesunięcia.

Po co rozwijać zegar, który tak bardzo ustępuje najlepszym konstrukcjom? Porównanie dwóch zegarów opartych na różnych zjawiskach fizycznych może służyć jako detektor. Wiedeński zespół prowadził równoległe pomiary ze zegarem jonowym na iterbie w austriackim urzędzie metrologicznym BEV, używanym wyłącznie jako punkt odniesienia, poza pętlą sprzężenia zwrotnego. Naukowcy zakładają, że przejście jądrowe zareagowałoby inaczej niż zegary oparte na elektronach, gdyby zmieniły się stałe przyrody (praca wiedeńska).

Niektóre modele ciemnej materii przewidują właśnie takie zmiany, które mogłyby objawiać się powolnymi, rytmicznymi wahaniami. Wiedeńczycy szukali ich w porównaniu zegarów, ale żaden sygnał nie przekroczył progu wykrywalności. Wynik wyznacza górną granicę możliwej siły tych efektów, nie jest ich odkryciem.

Oficjalną sekundę nadal definiuje się na podstawie atomów cezu, a nowe prototypy tego nie zmieniają (BIPM). Wiedeń pokazał, że jądro może utrzymywać laser w rezonansie przez całą dobę, a Pekin — że dwa kryształy mogą dawać niemal zgodne wyniki. Teraz zespoły wytwarzające kryształy i budujące lasery muszą sprawić, by wzorzec jądrowy zachowywał się tak samo w kolejnych próbkach. To warunek, by zegary stały się dokładniejszym narzędziem badania praw fizyki.