Dunajska jedrska ura teče, a še niha

Natančnost ure je odvisna od tega, kako zanesljivo ohranja svoj ritem. Dve raziskovalni skupini sta 7. oktobra 2026 v reviji Nature poročali o urah, ki med delovanjem ostajata uglašeni z atomskim jedrom (dunajska raziskava, pekinška raziskava). Dunajski prototip je brez človeškega posega deloval več kot 24 ur (celotno besedilo dunajske raziskave, Pro-Physik). Obe uri sta še precej manj stabilni od najboljših atomskih ur, ponujata pa novo referenčno frekvenco, s katero bi lahko zaznali morebitne spremembe temeljnih fizikalnih konstant.

Predstavljajmo si pevko, ki ton drži ob uglaševalni vilici. Ko ji glas uide, zasliši odmik in popravi višino tona. Optične atomske ure delujejo podobno: laser daje ritem, prehod elektrona med energijskima stanjema atoma pa služi kot uglaševalna vilica.

Pri toriju-229 je uglaševalna vilica v jedru. Ob vzbujanju z ultravijolično svetlobo z valovno dolžino blizu 148 nanometrov lahko jedro preide med dvema stanjema (obvestilo PTB). Obe skupini sta torij vgradili v kristale kalcijevega fluorida, prozorne snovi, ki atome zadrži na mestu. Ko laser oddaja svetlobo s pravo frekvenco, jedra vsrkajo majhen del svetlobe, ki potuje skozi kristal.

To komaj zaznavno zatemnitev svetlobe ura uporabi kot poslušalec tonov. Elektronika frekvenco laserja rahlo premika sem ter tja, detektor pa preverja, ali se svetloba bolj zatemni pri eni ali drugi frekvenci. Krmilnik tako ugotovi, v katero smer mora laser vrniti na sredino, podobno kot pevka sliši, ali poje previsoko ali prenizko.

Raziskovalci so leta 2024 dokazali, da je mogoče jedrski prehod sploh vzbuditi z laserjem (raziskava o vzbuditvi iz leta 2024). Novost, o kateri smo pisali v sredo (To Brief), je povratna zanka, ki deluje neprekinjeno: jedro ohranja laser uglašen, dokler ura deluje.

Dva laboratorija, dva načina za stabilizacijo žarka

Na Dunaju sta nalogi razdeljeni. Optični resonator, par zrcal, ki ujame svetlobo in zmanjša njeno hitro nihanje, umirja laser iz trenutka v trenutek. Signal torija nato popravlja počasno spreminjanje frekvence, ki ga resonator sam ne more zaznati (TU Wien). TU Wien je vzgojila kristal, nemški meroslovni inštitut PTB pa je ultravijolični laser izdelal skupaj z berlinskim Inštitutom Maxa Borna (raziskovalna skupina PTB).

Pekinška skupina pod vodstvom Univerze Tsinghua (Tsinghua) je poročala o manjšem koeficientu nestabilnosti kot dunajska. Ta pove, koliko se hitrost ure spreminja v kratkem obdobju, za katero izračunajo povprečje; nižja vrednost pomeni stabilnejše tiktakanje. V Pekingu so izmerili 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), na Dunaju pa 3 × 10⁻¹² (celotno besedilo dunajske raziskave).

Pekinška skupina je primerjala tudi dva ločeno vzgojena kristala in ugotovila, da se njuni frekvenci razlikujeta le za 2,8 × 10⁻¹³ (pekinška raziskava). Dve uglaševalni vilici, izdelani v različnih delavnicah, sta zazveneli skoraj z enakim tonom. To je zgodnji znak, da je jedrsko referenco mogoče ponovljivo izdelati.

Jedrski uri še precej zaostajata za atomskimi

V primerjavi z najboljšimi urami, ki temeljijo na elektronih, oba prototipa precej bolj nihata. Ura z aluminijevim ionom ameriškega Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo (NIST) je tako stabilna, da je nestabilnost dunajske ure približno 8.600-krat večja, pekinške pa približno 1.400-krat večja (NIST, raziskava NIST o aluminijevem ionu).

Na Dunaju so naleteli tudi na trdovraten problem s kristalom. Ko so spremenili pot laserja skozi kristal, se je izmerjena frekvenca premaknila za do približno 1,7 kilohertza. Merilni šum te spremembe ne pojasni; verjetno jo povzročajo napetosti in napake v kristalu (celotno besedilo dunajske raziskave). Raziskovalci morajo še preveriti, ali lahko premik zmanjšajo z bolj kakovostno vzgojenimi kristali in natančnejšim nadzorom poti žarka.

Zakaj vztrajati pri uri, ki tako zaostaja? Primerjava ur, ki temeljijo na različnih fizikalnih pojavih, lahko razkrije razlike v tem, kako se ti pojavi odzivajo na morebitne spremembe naravnih konstant. Dunajsko uro so primerjali z uro z iterbijevim ionom na avstrijskem meroslovnem uradu BEV, ki je služila zgolj kot referenca zunaj povratne zanke. Raziskovalci menijo, da bi se jedrski prehod ob spreminjanju naravnih konstant odzival drugače kot ure, ki temeljijo na elektronih (dunajska raziskava).

Nekateri modeli temne snovi napovedujejo prav takšne spremembe, ki bi se kazale kot počasno ritmično nihanje. Dunajska skupina je v primerjavi iskala ta nihanja, vendar nobeno ni preseglo praga zaznave. Rezultat postavlja zgornjo mejo njihove možne jakosti, ne pomeni pa odkritja.

Uradna sekunda je še vedno določena s cezijevimi atomi, prototipa pa njene definicije ne spreminjata (BIPM). Na Dunaju so pokazali, da lahko jedro ves dan ohranja laser uglašen, v Pekingu pa, da se frekvenci dveh kristalov zelo dobro ujemata. Zdaj morajo gojitelji kristalov in izdelovalci laserjev poskrbeti, da bo jedrski prehod v vsakem vzorcu dajal enak ton; od tega je odvisno, ali bo ura postala natančnejša sonda fizikalnih zakonov.