Nucleele de toriu reglează ceasuri, cristalele le abat

Pentru prima dată, frecvența unui laser este stabilizată de nucleul unui atom, nu de electronii săi. Așa funcționează ceasurile construite de echipe din Viena și Beijing, descrise într-un articol publicat în Nature pe 7 octombrie (Reuters). Nucleul de toriu corectează continuu laserul, oferindu-le fizicienilor un instrument nou, dar mici variații de frecvență provocate de cristalele care fixează toriul împiedică deocamdată folosirea lui ca etalon de timp fiabil.

Orice ceas are un ritm și un mecanism de corecție. Un pendul se leagănă, iar ceasornicarul îl reglează când începe să rămână în urmă. La un ceas atomic, corecția este făcută de legile fizicii: frecvența laserului este verificată continuu în raport cu o tranziție, adică trecerea între două stări energetice, care absoarbe lumina la o frecvență caracteristică. Această frecvență este extrem de stabilă, deși mediul atomului o poate modifica ușor.

În ceasurile atomice convenționale, tranziția are loc la nivelul unui electron. Toriu-229 este neobișnuit: nucleul său are o tranziție pe care o poate activa lumina unui laser ultraviolet, în timp ce majoritatea tranzițiilor nucleare necesită radiații mult mai energice. Nucleele sunt și foarte mici, așa că, în principiu, câmpurile electrice și magnetice parazite le afectează mai puțin decât norii de electroni din jurul atomilor (Physics World).

Cum preia nucleul controlul

Ambele echipe au încorporat toriu-229 în cristale mici de fluorură de calciu și au trecut prin ele un laser ultraviolet cu bandă îngustă. La frecvența potrivită, nucleele absorb puțin mai multă lumină. Sistemul de control reglează laserul de o parte și de alta a vârfului de absorbție, stabilește pe ce parte se află și îi readuce frecvența spre centru (studiul de la Viena din Nature, studiul chinez din Nature).

Mecanismul seamănă cu sistemul unei mașini care o menține pe banda de circulație. O cameră detectează marcajele, iar sistemul face mici corecții ale direcției pentru a păstra mașina între ele. În ceas, semnalul de absorbție ține locul camerei, iar controlerul laserului acționează volanul.

Bucla de reacție este noutatea. Experimente anterioare reușiseră deja să activeze tranziția cu lumină laser, în 2024 (Physical Review Letters). Atunci, semnalul era detectat de obicei prin strălucirea slabă și întârziată a nucleelor excitate, care apărea prea târziu pentru a corecta laserul clipă de clipă. Să găsești o dată un post de radio nu e același lucru cu a rămâne pe frecvența lui; absorbția directă oferă un semnal suficient de rapid pentru a menține acordul.

Cele două grupuri au ajuns separat la acest rezultat. TU Wien își descrie dispozitivul drept un ceas nuclear cu stabilizare proprie (TU Wien), iar echipa chineză a fost coordonată de Tsinghua University (Tsinghua). Două dispozitive construite independent pe aceeași idee oferă o confirmare mai solidă decât unul singur.

Ritm stabil, frecvență încă nesigură

Cercetătorii evaluează ceasurile după două criterii. Stabilitatea arată cât de regulat bate un ceas de la un moment la altul; după acest criteriu, niciunul dintre prototipuri nu se apropie încă de ceasurile atomice optice consacrate. Exactitatea arată dacă ceasul funcționează la frecvența corectă, asemenea unui ceas care bate perfect regulat, dar a fost potrivit cu cinci minute înainte.

Cristalul complică exactitatea. Fiecare nucleu de toriu se află într-o zonă proprie a cristalului, iar tensiunile locale sau defectele îi pot deplasa frecvența caracteristică. Astfel, măsurătoarea poate depinde de locul prin care trece laserul. Echipa din Beijing a găsit un indiciu încurajator: două cristale crescute separat au indicat frecvențe foarte apropiate (studiul chinez din Nature). Niciuna dintre echipe nu a prezentat încă o evaluare completă a tuturor efectelor care ar putea devia frecvența.

În căutarea materiei întunecate

Chiar și ca ceas imperfect, dispozitivul le este deja util fizicienilor. Unele teorii presupun că materia întunecată, substanța invizibilă care formează cea mai mare parte a masei Universului, ar putea influența ușor și periodic forțele care determină aceste frecvențe. Un ceas nuclear și unul bazat pe electroni ar resimți diferit această influență, iar raportul dintre frecvențele lor ar oscila regulat.

Echipa din Viena a folosit ceasul cu toriu alături de un ceas atomic convențional și a căutat tocmai această oscilație. Nu a găsit-o. Autorii spun că rezultatul exclude anumite modele ale materiei întunecate, nu materia întunecată în general (studiul de la Viena din Nature).

Definiția oficială a secundei se bazează încă pe atomii de cesiu (BIPM), iar prototipurile nu o vor schimba prea curând. Ele au arătat însă că un nucleu poate regla un ceas aflat în funcțiune. Pentru ca dispozitivul să măsoare timpul în mod fiabil, cristalele trebuie să fixeze toriul fără să-i deplaseze frecvența. Cercetătorii care cresc cristalele la Viena și Beijing sunt cei care pot rezolva problema.