Ceasul nuclear vienez funcționează, dar oscilează

Două echipe au anunțat în Nature, pe 7 octombrie 2026, că au construit ceasuri care își mențin laserul acordat la frecvența unei tranziții nucleare cât timp funcționează (studiul de la Viena, studiul de la Beijing). Prototipul vienez a funcționat mai mult de 24 de ore fără nicio intervenție (textul integral al studiului de la Viena, Pro-Physik). Ambele ceasuri sunt însă mult mai puțin stabile decât cele mai bune ceasuri atomice. Ele oferă un nou tip de reper, care ar putea arăta dacă se schimbă vreodată constantele fundamentale ale fizicii.

Imaginați-vă o cântăreață care ține o notă în acord cu un diapazon. Când vocea i se abate, își dă seama că sunetele nu mai coincid și o corectează. Ceasurile atomice optice funcționează la fel: laserul ține ritmul, iar saltul electronilor atomului între două niveluri de energie joacă rolul diapazonului.

În cazul toriului-229, diapazonul se află chiar în nucleu. Acesta poate trece între două stări dacă este excitat de lumină ultravioletă cu lungimea de undă de aproximativ 148 de nanometri (anunțul PTB). Ambele echipe au încorporat toriu în cristale de fluorură de calciu, un material transparent care fixează atomii în poziție. La frecvența exactă, nucleele absorb o mică parte din lumina care traversează cristalul.

Această scădere foarte slabă a intensității luminii îi oferă ceasului semnalul de care are nevoie. Electronica deplasează ușor frecvența laserului în ambele direcții, iar un detector măsoară dacă lumina se estompează mai mult într-o parte sau în cealaltă. Rezultatul îi arată sistemului de control în ce direcție să readucă laserul la frecvența centrală, așa cum cântăreața își dă seama dacă nota ei e prea sus sau prea jos.

În 2024, cercetătorii au demonstrat că laserul poate excita această tranziție nucleară (studiul din 2024). Următorul pas, explicat miercuri de To Brief, este o buclă de reglare care funcționează continuu. Nucleul menține laserul acordat atât timp cât ceasul funcționează.

Două laboratoare, două soluții pentru stabilizarea laserului

La Viena, două sisteme împart sarcina. O cavitate optică, formată din două oglinzi orientate una spre cealaltă, captează lumina și reduce fluctuațiile laserului pe termen scurt. Semnalul de la toriu corectează apoi deriva lentă pe care cavitatea nu o poate compensa singură (TU Wien). TU Wien a produs cristalul, iar institutul german de metrologie PTB a construit laserul ultraviolet împreună cu Institutul Max Born din Berlin (grupul de cercetare PTB).

Echipa de la Universitatea Tsinghua din Beijing (Tsinghua) a raportat un coeficient de instabilitate mai mic decât cel al echipei vieneze. Indicatorul măsoară cât variază ritmul ceasului pe intervale scurte de măsurare; o valoare mai mică înseamnă o stabilitate mai bună. Ceasul de la Beijing a avut un coeficient de 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), față de 3 × 10⁻¹² la Viena (textul integral al studiului de la Viena).

Echipa de la Beijing a comparat și două cristale produse separat, constatând că frecvențele lor difereau cu numai 2,8 × 10⁻¹³ în termeni relativi (studiul de la Beijing). Două diapazoane realizate în ateliere diferite au emis aproape aceeași notă. Este un prim semn că reperul nuclear poate fi reprodus.

Încă mult în urma celor mai precise ceasuri atomice

Față de cele mai bune ceasuri bazate pe electroni, ambele prototipuri au fluctuații mult mai mari. Un ceas NIST cu un singur ion de aluminiu este suficient de stabil încât instabilitatea ceasului de la Viena să fie de aproximativ 8.600 de ori mai mare, iar cea a ceasului de la Beijing, de circa 1.400 de ori mai mare (NIST, studiul NIST despre ionul de aluminiu).

La Viena, cercetătorii s-au lovit și de o problemă persistentă a materialului. Schimbarea traiectoriei laserului prin cristal a modificat frecvența măsurată cu până la circa 1,7 kilohertzi, o variație prea mare pentru a fi explicată de zgomotul de măsurare și care s-ar datora, probabil, tensiunilor mecanice și defectelor din cristal (textul integral al studiului de la Viena). Cercetătorii trebuie să testeze dacă folosirea unor cristale mai bine crescute și controlul mai precis al traseului fasciculului reduc această deplasare.

De ce continuă cercetătorii să dezvolte un ceas care rămâne atât de mult în urma celor atomice? Compararea a două ceasuri bazate pe fenomene fizice diferite le poate transforma într-un detector. Echipa de la Viena și-a comparat ceasul cu toriu cu un ceas cu ioni de yterbiu de la Biroul austriac de metrologie, BEV, folosit doar ca reper, în afara buclei de reglare. Cercetătorii pornesc de la ipoteza că tranziția nucleară ar reacționa diferit de ceasurile bazate pe electroni dacă s-ar schimba constantele fundamentale ale naturii (studiul de la Viena).

Unele modele de materie întunecată prezic tocmai un asemenea efect: o variație lentă, asemănătoare unui ritm. Echipa de la Viena a căutat astfel de variații în comparația dintre ceasuri, dar niciuna nu a depășit pragul de detecție. Rezultatul stabilește limite superioare pentru intensitatea pe care ar putea-o avea aceste efecte; nu este o descoperire.

Secunda oficială rămâne definită prin atomii de cesiu, iar aceste prototipuri nu schimbă definiția (BIPM). Viena a arătat că un nucleu poate menține un laser acordat timp de o zi întreagă, iar Beijingul, că două cristale pot da rezultate foarte apropiate. Pentru a transforma acest reper într-un instrument mai precis de testare a legilor fizicii, cercetătorii care produc cristalele și construiesc laserele trebuie să obțină aceeași frecvență de la un eșantion la altul.