Torijeve ure zaostajajo za atomskimi tekmicami

Raziskovalni skupini na Dunaju in v Pekingu sta izdelali prvi uri, ki laser ohranjata uglašen na prehod v atomskem jedru; kot referenco uporabljata torij-229 (Reuters). Dolgoletna zamisel je tako dobila delujočo laboratorijsko obliko. Fizik ameriškega Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo (NIST) Kyle Beloy je za Chemical & Engineering News povedal, da prototipa po točnosti in stabilnosti za več velikostnih redov zaostajata za najboljšimi optičnimi atomskimi urami (C&EN).

Fiziki želijo uporabiti jedro kot frekvenčno referenco, ker se nanj odzivajo drugačne sile kot na elektrone, na katerih temeljijo običajne atomske ure. Primerjava obeh vrst ur odpira nov način preverjanja, ali naravni zakoni ostajajo povsem nespremenljivi.

Kako kristal postane ura

Obe skupini usmerjata ultravijolično lasersko svetlobo skozi kristale s primesjo torija-229 in v izhodni svetlobi iščeta komaj opazen padec jakosti (To Brief). Pojavi se, ko laser doseže natančno frekvenco, ki jo jedra absorbirajo. Fiziki tej frekvenci pravijo resonanca.

Padec je lažje zaznati enkrat kot laser na njem zadržati. Zato skupini preverjata absorpcijo nekoliko nad izbrano frekvenco in nekoliko pod njo. Če je laser natančno na sredini, je absorpcija na obeh straneh enaka; če frekvenca odtava, se na eni strani absorbira več svetlobe, neravnovesje pa krmilnemu sistemu pokaže, v katero smer mora laser znova nastaviti.

Predstavljajte si, da stojite na vrhu hriba v megli. Vrh ni viden, a korak v levo in korak v desno pokažeta, v katero smer se teren spušča. S sprotnim popravljanjem laserja ta začne delovati kot ura.

Tri merila kakovosti ure

Kopalniška tehtnica in utež za umerjanje pomagata ločiti tri pojme. Stabilnost pove, kako malo niha odčitek, ko utež miruje. Ponovljivost pokaže, ali tehtnica jutri isto utež izmeri enako. Točnost pove, ali se odčitek ujema z njeno pravo maso.

Fiziki stabilnost izražajo s »koeficientom nestabilnosti«: ta pove, koliko se hitrost tiktakanja spreminja v povprečju skozi čas. Nižja vrednost je boljša. Peking je na podlagi 3,8-urne meritve navedel 5 × 10⁻¹³ (Beijing manuscript). Dunajska ura je brez nadzora delovala cel dan, pri čemer so izmerili 3 × 10⁻¹² (Vienna Nature paper).

Za primerjavo: objavljena ura z aluminijevim ionom dosega približno 3,5 × 10⁻¹⁶ (aluminium-ion clock paper, NIST record). Vsaka stopnja v eksponentu pomeni desetkratno razliko; to je razlika, ki jo opisuje Beloy. Ker sta dunajska in pekinška ekipa uporabili različni postavitvi in različno dolga obdobja povprečenja, ni mogoče sklepati, da je pekinška ura v celoti boljša zgolj zato, ker so izmerili nižjo vrednost.

Te številke opisujejo le kratkoročno nihanje. Nobena skupina še ni predstavila celovitega izračuna točnosti, ki bi zajel vse vplive, zaradi katerih bi se ura lahko oddaljila od prave frekvence. Zato razlike v točnosti za zdaj ni mogoče izraziti s številko.

Tarča, ki se premika

Izmerjeni absorpcijski vrh je tudi širok. V Pekingu je bil izbrani vrh širok približno 27 kHz (Physics World). Širok vrh pomeni manj natančno določeno tarčo, zato krmilni sistem težje najde njegovo natančno središče.

Druga težava se je pokazala na Dunaju. Ekipa je laserski žarek usmerila na pet različnih mest v istem kristalu in ugotovila, da se središče resonance premakne za do približno 1,7 kHz, medtem ko bi naključni merilni raztros pojasnil le okoli 0,13 kHz (Vienna manuscript). Povedano drugače, navidezna referenčna frekvenca se je spreminjala glede na to, kam je padel žarek, podobno kot tehtnica, ki pokaže različno vrednost glede na to, kam nanjo postavimo utež.

Ekipa vzroka še ni določila; med predlaganimi ukrepi je tudi zagotoviti, da bi žarek vsakič potoval po isti poti. Ta neenakomernost pomaga pojasniti, zakaj so se frekvence dunajske ure med posameznimi dnevi ujemale le na ravni približno 5 × 10⁻¹³ (Vienna Nature paper), kar je slabše, kot nakazuje posamezen merilni niz.

Dunajska in pekinška ekipa sta pokazali, da je mogoče z odzivom jeder v kristalu laser ohranjati uglašen na resonanco več ur, v dunajskem poskusu celo ves dan. Izmerjena stabilnost njunih ur močno zaostaja za najboljšimi optičnimi urami, točnosti pa še niso ocenili. Uradno sekundo še vedno določa atom cezija (BIPM). Naslednji cilj je jasen: ponoviti meritve v več dneh in z več napravami, upoštevati vse sistematične premike ter nato izvesti dolgotrajne neposredne primerjave z optičnimi urami.