Tóriové hodiny zaostávajú za optickými hodinami

Tímy vo Viedni a Pekingu zostrojili prvé hodiny, ktoré udržiavajú laser naladený na prechod v atómovom jadre. Ako referenciu používajú tórium-229 (Reuters). Dávna myšlienka tak funguje v podobe laboratórneho zariadenia. Fyzik Kyle Beloy z NIST povedal pre Chemical & Engineering News, že prototypy presnosťou aj stabilitou zaostávajú za najlepšími optickými atómovými hodinami o celé rády (C&EN).

Fyzici chcú využiť jadro ako referenciu, pretože reaguje na iné sily než elektróny, na ktorých fungujú bežné atómové hodiny. Porovnávanie oboch typov hodín otvára nový spôsob, ako skúmať, či sa prírodné zákony nemenia.

Ako sa z kryštálu stanú hodiny

Oba tímy presvecujú kryštály dopované tóriom-229 ultrafialovým laserom a sledujú, či v prechádzajúcom svetle vznikne slabý pokles intenzity (To Brief). Objaví sa vtedy, keď jadrá pohltia svetlo s presnou frekvenciou. Fyzici tomuto bodu hovoria rezonancia.

Nájsť pokles je ľahšie než udržať laser na tej istej frekvencii. Tímy preto merajú absorpciu tesne nad zvolenou frekvenciou aj pod ňou. Ak laser mieri presne na stred, obe strany pohltia rovnaké množstvo svetla. Keď frekvencia ujde, jedna strana pohltí viac a rozdiel ukáže riadiacemu systému, ktorým smerom má laser doladiť.

Predstavte si, že stojíte v hmle na kopci. Vrchol nevidíte, no krok doľava a doprava vám napovie, ktorým smerom svah stúpa. Priebežné korekcie tak udržujú laser na správnej frekvencii a menia ho na hodiny.

Tri spôsoby, ako môžu hodiny zaostávať

Tri vlastnosti pomôžu rozlíšiť kúpeľňová váha a kalibračné závažie. Stabilita hovorí, ako veľmi kolíše údaj, keď závažie leží na váhe. Reprodukovateľnosť ukazuje, či váha zajtra ukáže pri tom istom závaží rovnaké číslo. Presnosť vyjadruje, či sa údaj zhoduje so skutočnou hmotnosťou.

Stabilitu fyzici vyjadrujú koeficientom nestability: ten ukazuje, ako sa v čase mení frekvencia tikov. Čím je nižší, tým lepšie. Peking uviedol hodnotu 5 × 10⁻¹³ na základe merania, ktoré trvalo 3,8 hodiny (rukopis tímu z Pekingu). Viedenské hodiny bežali bez obsluhy celý deň a dosiahli hodnotu 3 × 10⁻¹² (článok tímu z Viedne v Nature).

Pre porovnanie, publikované atómové hodiny s iónom hliníka dosahujú približne 3,5 × 10⁻¹⁶ (článok o hodinách s iónom hliníka, záznam NIST). Každý posun exponentu o jednotku znamená desaťnásobný rozdiel; práve na taký odstup odkazoval Beloy. Tímy v Pekingu a Viedni používali rozdielne zostavy aj časy merania, preto nižšia pekinská hodnota sama osebe neznamená, že tamojšie hodiny sú celkovo lepšie.

Tieto čísla zachytávajú iba krátkodobé kolísanie. Ani jeden tím zatiaľ nezverejnil úplnú bilanciu presnosti, ktorá by zahŕňala všetky vplyvy schopné odchýliť hodiny od skutočnej frekvencie. Rozdiel v presnosti preto zatiaľ nemožno vyčísliť.

Cieľ, ktorý sa stále posúva

Nameraný absorpčný vrchol je široký. Vrchol, ktorý si vybral tím z Pekingu, mal šírku približne 27 kilohertzov (Physics World). Široký vrchol je neostrý cieľ, takže riadiaci systém ťažšie určí jeho presný stred.

Druhý problém sa ukázal vo Viedni. Tím presunul laserový lúč medzi piatimi miestami na tom istom kryštáli a zistil, že stred rezonancie sa posúva až o približne 1,7 kilohertzu. Náhodný rozptyl meraní pritom vysvetľoval iba asi 0,13 kilohertzu (rukopis tímu z Viedne). Zdanlivá referenčná frekvencia sa teda menila podľa toho, kam lúč dopadol. Je to ako váha, ktorá ukáže iný údaj podľa toho, kam na ňu položíte závažie.

Tím zatiaľ príčinu neurčil. Medzi navrhované riešenia patrí aj opakovanie rovnakej dráhy lúča. Nerovnomerné výsledky pomáhajú vysvetliť, prečo sa frekvencie namerané vo Viedni v rôznych dňoch zhodovali iba na úrovni približne 5 × 10⁻¹³ (článok tímu z Viedne v Nature), hoci jednotlivé merania naznačovali lepšiu zhodu.

Viedeň a Peking ukázali, že jadrá v kryštáli dokážu riadiť laser a udržať ho na zvolenej frekvencii celé hodiny, vo Viedni aj celý deň. Nameraná stabilita však výrazne zaostáva za najlepšími optickými hodinami a presnosť zatiaľ nebola vyhodnotená. Oficiálnu sekundu naďalej definuje atóm cézia (BIPM). Ďalším krokom bude opakovať merania počas viacerých dní a na rôznych zariadeniach, započítať všetky systematické posuny a potom hodiny dlhodobo porovnávať s optickými.