Jadrá tória riadia hodiny, kryštály ich rozlaďujú

Po prvý raz sa frekvencia lasera priebežne koriguje podľa jadra atómu, nie jeho elektrónov. Takéto hodiny zostavili tímy vo Viedni a Pekingu; výsledky zverejnil časopis Nature 7. októbra (Reuters). Tóriové jadro teraz usmerňuje laser a dáva fyzikom nový nástroj. Drobné posuny frekvencie spôsobené kryštálmi, v ktorých je tórium uložené, však zatiaľ bránia tomu, aby hodiny spoľahlivo merali čas.

Každé hodiny potrebujú pravidelný rytmus a korekciu. Kyvadlo sa kýva a hodinár ho upraví, keď sa odchýli. Pri atómových hodinách túto korekciu zabezpečuje fyzika: laser sa neustále porovnáva s prechodom medzi dvoma energetickými stavmi, pri ktorom atóm pohlcuje svetlo s charakteristickou frekvenciou. Tá je mimoriadne stála, hoci ju prostredie atómu môže mierne posunúť.

V bežných atómových hodinách tento prechod uskutočňuje elektrón. Tórium-229 je výnimočné tým, že prechod v jeho jadre dokáže vyvolať ultrafialové svetlo. Väčšina jadrových prechodov si vyžaduje oveľa energetickejšie žiarenie. Jadrá sú navyše veľmi malé, a preto by ich rušivé elektrické a magnetické polia mali ovplyvňovať menej než elektrónové obaly okolo nich (Physics World).

Ako jadro preberá riadenie

Oba tímy vložili tórium-229 do malých kryštálov fluoridu vápenatého a presvietili ich úzkym lúčom ultrafialového laseru. Pri správnej frekvencii jadrá pohltia o niečo viac svetla. Riadiaci systém posúva frekvenciu lasera na obe strany absorpčného maxima, určuje, na ktorej strane sa nachádza, a vracia ju späť k stredu (viedenská štúdia v Nature, čínska štúdia v Nature).

Podobne funguje systém, ktorý v aute udržiava jazdný pruh. Kamera sleduje jeho značenie a systém drobnými zásahmi do riadenia drží auto medzi čiarami. V hodinách plní úlohu kamery signál pohlteného svetla a laser usmerňuje jeho riadiaci systém.

Novým krokom je práve táto spätná väzba. Vedci už v roku 2024 dokázali vyvolať prechod laserovým svetlom (Physical Review Letters). Signál však zvyčajne zachytávali z pomalého doznievania excitovaných jadier, ktoré prichádzalo príliš neskoro na priebežnú korekciu lasera. Raz nájsť rozhlasovú stanicu nestačí; treba na nej aj zostať naladený. Priama absorpcia je dosť rýchla na to, aby to umožnila.

Oba tímy dosiahli výsledok nezávisle. TU Wien označuje svoje zariadenie za samostabilizujúce jadrové hodiny (TU Wien), výskum v Číne viedla Tsinghua University (Tsinghua). Dve nezávisle zostavené zariadenia podporujú túto myšlienku presvedčivejšie než jedno.

Stabilné, no zatiaľ nepresné

Fyzici pri hodinách rozlišujú dve vlastnosti. Stabilita hovorí, ako rovnomerne hodiny tikajú v čase; v tomto ohľade zatiaľ ani jeden prototyp nedosahuje úroveň zavedených optických atómových hodín. Presnosť ukazuje, či hodiny stále neukazujú nesprávny čas, podobne ako hodinky, ktoré tikajú rovnomerne, ale sú nastavené o päť minút dopredu.

Problém s presnosťou spôsobuje kryštál. Každé tóriové jadro sa nachádza vo vlastnej časti kryštálu a miestne napätie či chyby v jeho štruktúre môžu posunúť charakteristickú frekvenciu. Nameraná hodnota tak môže závisieť od miesta, ktorým laser prechádza. Tím z Pekingu našiel povzbudivý náznak: frekvencie dvoch samostatne vypestovaných kryštálov sa takmer zhodovali (čínska štúdia v Nature). Ani jeden tím zatiaľ úplne nevyčíslil všetky vplyvy, ktoré by mohli frekvenciu skresliť.

Hľadanie temnej hmoty

Aj keď hodiny ešte nie sú dokonalé, fyzikom už slúžia. Niektoré teórie predpokladajú, že temná hmota, neviditeľná zložka tvoriaca väčšinu hmoty vo vesmíre, by mohla jemne a pravidelne pôsobiť na sily, ktoré určujú tieto frekvencie. Jadrové a elektrónové hodiny by na také pôsobenie reagovali odlišne, takže pomer ich frekvencií by sa pravidelne menil.

Tím z Viedne porovnával tóriové hodiny s bežnými atómovými hodinami a hľadal práve takéto pravidelné kolísanie. Nenašiel ho. Autori uvádzajú, že výsledok vylučuje niektoré konkrétne modely temnej hmoty, nie jej existenciu všeobecne (viedenská štúdia v Nature).

Oficiálna definícia sekundy sa stále opiera o atómy cézia (BIPM) a tieto prototypy ju tak skoro nezmenia. Ukázali však, že jadro dokáže usmerňovať bežiace hodiny. Aby sa z nich stal spoľahlivý časomer, treba nájsť spôsob, ako udržať tórium v kryštáli bez posunu jeho frekvencie. Na tom teraz pracujú tímy, ktoré kryštály pripravujú vo Viedni a Pekingu.