Jadrové hodiny bežia, no stále kolíšu

Dve výskumné skupiny 7. októbra 2026 v časopise Nature predstavili hodiny, ktoré si počas chodu udržiavajú presné naladenie podľa jadra atómu (viedenská štúdia, pekingská štúdia). Viedenský prototyp bežal viac ako 24 hodín bez zásahu človeka (celý text viedenskej štúdie, Pro-Physik). Obe hodiny sú stále podstatne menej stabilné než najlepšie atómové hodiny. Ponúkajú však nový referenčný bod, ktorý by mohol pomôcť zistiť, či sa základné fyzikálne konštanty niekedy menia.

Predstavme si speváčku, ktorá drží tón podľa ladičky. Keď sa jej hlas odchýli, ucho zachytí rozdiel a ona ho opraví. Podobne fungujú optické atómové hodiny: rytmus udáva laser a ladičkou je prechod elektrónov atómu medzi energetickými hladinami.

Jadro tória-229 ukrýva ladičku vo svojom vnútri. Po zásahu ultrafialovým svetlom s vlnovou dĺžkou blízkou 148 nanometrov môže preskočiť medzi dvoma stavmi (oznámenie PTB). Obe skupiny vložili tórium do kryštálov fluoridu vápenatého, priehľadného materiálu, ktorý drží atómy na mieste. Keď laser dosiahne presnú frekvenciu, jadrá pohltia malú časť svetla, ktoré cez kryštál prechádza.

Slabé zoslabnutie svetla slúži hodinám ako ucho. Elektronika mierne mení frekvenciu lasera tam a späť a detektor sleduje, či svetlo slabne viac na jednej alebo druhej strane. Riadiacej jednotke to ukáže, ktorým smerom má laser vrátiť k stredu, podobne ako speváčka podľa sluchu zistí, či spieva príliš vysoko alebo nízko.

V roku 2024 vedci ukázali, že laser dokáže tento jadrový prechod vôbec vyvolať (štúdia o excitácii z roku 2024). Novým krokom, o ktorom sme písali v stredu (To Brief), je regulačná slučka, ktorá pracuje nepretržite. Kým hodiny bežia, jadro udržiava laser naladený.

Dve laboratóriá, dva spôsoby, ako stabilizovať lúč

Vo Viedni si prácu rozdelili. Optický rezonátor, dvojica zrkadiel obrátených oproti sebe, zachytáva svetlo a tlmí jeho rýchle výkyvy. Signál z tória potom koriguje pomalé odchýlky, ktoré rezonátor sám nezachytí (TU Wien). Kryštál vypestovala TU Wien a ultrafialový laser postavil nemecký metrologický inštitút PTB spolu s berlínskym Max Born Institute (výskumná skupina PTB).

Tím z Pekingu vedený Tsinghua University (Tsinghua) dosiahol nižší koeficient nestability než Viedeň. Tento údaj vyjadruje, ako veľmi sa mení frekvencia hodín pri krátkom spriemerovaní; nižšia hodnota znamená stabilnejší chod. Pekingské hodiny dosiahli hodnotu 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), kým viedenské 3 × 10⁻¹² (celý text viedenskej štúdie).

Pekingský tím porovnal aj dva samostatne vypestované kryštály a zistil, že ich frekvencie sa relatívne líšili len o 2,8 × 10⁻¹³ (pekingská štúdia). Dve ladičky vyrobené v rôznych dielňach zneli takmer rovnako. Je to prvý náznak, že jadrový referenčný bod možno reprodukovať.

Stále zaostávajú za atómovými hodinami

V porovnaní s najlepšími hodinami založenými na elektrónoch sa oba prototypy výrazne viac rozchádzajú. Hodiny NIST s iónom hliníka sú také stabilné, že nestabilita viedenských hodín je približne 8 600-krát vyššia a pekingských asi 1 400-krát (NIST, štúdia NIST o ióne hliníka).

Vo Viedni narazili aj na pretrvávajúci problém s materiálom. Keď vedci zmenili dráhu laserového lúča v kryštáli, nameraná frekvencia sa posunula až o približne 1,7 kilohertza. Tento rozdiel nemožno vysvetliť šumom merania a pravdepodobne súvisí s pnutím a nedokonalosťami kryštálu (celý text viedenskej štúdie). Vedci ešte musia overiť, či lepšie vypestované kryštály a presnejšia kontrola miesta, kadiaľ lúč prechádza, tento posun zmenšia.

Načo pokračovať s hodinami, ktoré tak zaostávajú? Porovnaním dvoch hodín založených na odlišných fyzikálnych princípoch vzniká detektor. Viedeň svoje hodiny porovnávala s hodinami založenými na ióne yterbia v rakúskom metrologickom úrade BEV. Tie slúžili iba ako meradlo a neboli zapojené do regulačnej slučky. Viedenský tím tvrdí, že jadrový prechod by pri zmene prírodných konštánt reagoval inak než prechody založené na elektrónoch (viedenská štúdia).

Niektoré modely temnej hmoty predpovedajú práve takéto zmeny, ktoré by sa prejavili ako pomalé pravidelné kolísanie. Viedeň ich pri porovnávaní hodín hľadala, no žiadna zmena neprekročila hranicu detekcie. Výsledok určuje hornú hranicu možnej sily takýchto účinkov, nejde o ich objav.

Oficiálna sekunda sa stále definuje pomocou atómov cézia a tieto prototypy na tom nič nemenia (BIPM). Viedeň ukázala, že jadro dokáže udržať laser naladený celý deň, a Peking, že dva kryštály môžu dospieť k takmer rovnakej frekvencii. Presnejšiu sondu fyzikálnych zákonov z nich teraz musia urobiť pestovatelia kryštálov a stavitelia laserov. Ich úlohou je zabezpečiť, aby jadrový tón znel rovnako v každej vzorke.