Ceasurile cu toriu rămân în urmă

Echipe din Viena și Beijing au construit primele ceasuri care mențin un laser reglat pe o tranziție din nucleul atomic, folosind toriu-229 drept referință (Reuters). O idee discutată de multă vreme a devenit astfel un dispozitiv funcțional de laborator. Fizicianul Kyle Beloy de la NIST a declarat pentru Chemical & Engineering News că prototipurile sunt încă „cu ordine de mărime în urma” celor mai bune ceasuri atomice optice, atât ca precizie, cât și ca stabilitate (C&EN).

Fizicienii caută un reper nuclear fiindcă nucleul răspunde la alte forțe decât electronii folosiți de ceasurile atomice obișnuite. Compararea celor două tipuri de ceas oferă o cale nouă de a verifica dacă legile naturii rămân neschimbate în timp.

Cum devine un cristal un ceas

Ambele echipe trimit lumină ultravioletă prin cristale dopate cu toriu-229 și urmăresc o scădere slabă a intensității luminii la ieșire (To Brief). Scăderea apare când laserul atinge frecvența exactă pe care o absorb nucleele. Fizicienii numesc această frecvență rezonanță.

E ușor să găsești scăderea o singură dată; mai greu este să menții laserul pe frecvența respectivă. Echipele măsoară absorbția la frecvențe puțin mai mari și mai mici decât cea aleasă. Dacă laserul este fixat exact la mijloc, absorbția este egală de ambele părți. Dacă frecvența se deplasează, una dintre părți absoarbe mai mult, iar diferența îi arată unui controler în ce direcție să regleze laserul.

Imaginează-ți că stai pe vârful unui deal în ceață. Nu vezi creasta, dar un pas într-o parte și unul în cealaltă îți arată încotro coboară terenul. Corecția continuă transformă laserul într-un ceas.

Trei feluri în care un ceas poate da greș

Un cântar de baie și o greutate etalon ajută la deosebirea a trei noțiuni. Stabilitatea arată cât oscilează indicația cât timp greutatea stă pe cântar. Reproductibilitatea arată dacă, a doua zi, cântarul indică aceeași valoare pentru aceeași greutate. Precizia arată dacă valoarea corespunde masei reale.

Pentru stabilitate, fizicienii folosesc „coeficientul de instabilitate”, care arată cât variază frecvența ceasului în timp. Valoarea se calculează ca medie, iar un coeficient mai mic indică un ceas mai stabil. Beijingul a raportat 5 × 10⁻¹³, pe baza unei măsurători de 3,8 ore (manuscrisul Beijingului). Ceasul din Viena a funcționat nesupravegheat timp de o zi întreagă și a raportat 3 × 10⁻¹² (articolul din Nature despre Viena).

Prin comparație, un ceas atomic publicat, bazat pe un ion de aluminiu, ajunge la aproximativ 3,5 × 10⁻¹⁶ (articolul despre ceasul cu ion de aluminiu, rezultatul NIST). Fiecare treaptă a exponentului înseamnă o diferență de zece ori, ceea ce arată decalajul descris de Beloy. Cele două echipe care lucrează la ceasurile nucleare au folosit montaje și intervale de mediere diferite, așa că valoarea mai mică raportată de Beijing nu înseamnă că ceasul său este, în ansamblu, mai bun.

Aceste cifre măsoară doar variațiile pe termen scurt. Niciuna dintre echipe nu a prezentat încă o evaluare completă a preciziei, cu inventarierea tuturor efectelor care ar putea deplasa ceasul de la frecvența sa reală. Prin urmare, diferența de precizie nu poate fi încă exprimată numeric.

O țintă care nu stă pe loc

Vârful de absorbție măsurat la Beijing avea o lățime de aproximativ 27 de kilohertzi (Physics World). Un vârf lat înseamnă o țintă mai imprecisă: controlerului îi este mai greu să-i găsească centrul exact.

A doua dificultate a apărut la Viena. Echipa a mutat fasciculul laser în cinci puncte ale aceluiași cristal și a constatat că centrul rezonanței se deplasa cu până la aproximativ 1,7 kilohertzi, în timp ce variațiile aleatorii ale măsurătorilor ar fi explicat doar circa 0,13 kilohertzi (manuscrisul Vienei). Cu alte cuvinte, frecvența de referință aparentă se schimba în funcție de locul în care ajungea fasciculul, ca un cântar care arată diferit în funcție de locul unde așezi greutatea.

Echipa nu a identificat încă sursa efectului; printre soluțiile propuse se numără repetarea exactă a traseului fasciculului. Această neuniformitate ajută la explicarea faptului că frecvențele măsurate la Viena în zile diferite au coincis doar la nivelul de aproximativ 5 × 10⁻¹³ (articolul din Nature despre Viena), cu o concordanță mai slabă decât ar sugera orice măsurare individuală.

Experimentele de la Viena și Beijing arată că nucleele dintr-un cristal pot ghida un laser și îl pot menține blocat pe rezonanță ore întregi, într-un caz chiar o zi întreagă. Stabilitatea măsurată rămâne mult sub cea a celor mai bune ceasuri optice, iar precizia lor nu a fost încă evaluată. Secunda oficială este încă definită prin atomul de cesiu (BIPM). Următorul pas este repetarea măsurătorilor de-a lungul mai multor zile și pe dispozitive diferite, luarea în calcul a fiecărei deplasări sistematice, apoi comparații îndelungate, în paralel, cu ceasuri optice.