Thoriumklockor går, men halkar efter

Forskargrupper i Wien och Peking har byggt de första klockorna som håller en laser låst till en övergång i en atomkärna. Som referens använder de torium-229 (Reuters). Därmed har en länge diskuterad idé blivit fungerande laboratorieutrustning. NIST-fysikern Kyle Beloy sade till Chemical & Engineering News att prototyperna fortfarande ligger flera storleksordningar från de bästa optiska atomuren i fråga om noggrannhet och stabilitet (C&EN).

Fysikerna vill använda en kärna som referens eftersom den påverkas av andra krafter än elektronerna som vanliga atomur bygger på. Genom att jämföra de två slagen av klockor går det att pröva om naturens lagar förblir desamma över tid.

Så blir en kristall till en klocka

Båda grupperna låter ultraviolett laserljus passera genom kristaller med torium-229 och letar efter en svag minskning i ljuset som kommer ut (To Brief). Minskningen uppstår när lasern träffar exakt den frekvens som kärnorna absorberar. Fysikerna kallar den träffpunkten för resonans.

Att hitta toppen en gång är enkelt jämfört med att hålla sig kvar på den. Därför mäter grupperna absorptionen strax ovanför och under den valda frekvensen. Om lasern ligger mitt i träffar den lika rätt på båda sidor. Börjar den glida absorberas mer ljus på ena sidan, och skillnaden visar en styrenhet åt vilket håll lasern ska justeras.

Tänk dig att du står på en höjd i dimma. Du ser inte toppen, men ett steg åt vänster och ett åt höger visar åt vilket håll marken lutar. Den ständiga korrigeringen gör lasern till en klocka.

Tre sätt en klocka kan visa sina begränsningar

En badrumsvåg och en kalibreringsvikt hjälper till att skilja mellan tre egenskaper. Stabilitet handlar om hur lite värdet fladdrar medan vikten står stilla. Reproducerbarhet handlar om huruvida vågen visar samma värde för samma vikt nästa dag. Riktighet handlar om huruvida värdet motsvarar viktens sanna massa.

För stabilitet anger fysikerna en ”instabilitetskoefficient”: hur mycket klockans takt varierar, i genomsnitt över tid. Lägre värde är bättre. Peking rapporterade 5 × 10⁻¹³ utifrån en mätserie på 3,8 timmar (Beijing manuscript). Klockan i Wien gick utan tillsyn ett helt dygn och rapporterade 3 × 10⁻¹² (Vienna Nature paper).

Som jämförelse har ett publicerat atomur med aluminiumjoner en instabilitet på omkring 3,5 × 10⁻¹⁶ (aluminium-ion clock paper, NIST record). Varje steg i exponenten motsvarar en tiodubbel skillnad, vilket är det avstånd Beloy beskriver. Kärnklockorna i Peking och Wien byggdes med olika uppställningar och mättider. Därför innebär Pekings lägre värde inte att dess klocka är bättre totalt sett.

Siffrorna beskriver bara kortsiktiga variationer. Ingen av grupperna har redovisat en fullständig osäkerhetsbudget för noggrannheten, en genomgång av alla effekter som kan flytta klockan från dess sanna frekvens. Därför går det ännu inte att sätta siffror på skillnaden i noggrannhet.

En måltavla som inte ligger still

Absorptionstoppen som uppmättes är också bred. Den topp som valdes i Peking var omkring 27 kilohertz bred (Physics World). En bred topp ger ett otydligt mål, vilket gör det svårare för styrenheten att hitta dess exakta mittpunkt.

Den andra svårigheten visade sig i Wien. Gruppen flyttade laserstrålen mellan fem punkter i samma kristall och fann att resonansens mittpunkt kunde förskjutas med upp till omkring 1,7 kilohertz. Slumpmässig mätvariation skulle bara förklara cirka 0,13 kilohertz (Vienna manuscript). Den uppmätta referensfrekvensen ändrades alltså beroende på var strålen träffade, ungefär som en våg som visar olika värden beroende på var vikten placeras.

Gruppen har inte fastställt orsaken. En av lösningarna den föreslår är en strålgång som upprepas exakt. Variationerna bidrar till att förklara varför frekvenserna i Wien stämde överens mellan olika dagar med en precision på bara omkring 5 × 10⁻¹³ (Vienna Nature paper), sämre än vad en enskild mätning antyder.

Wien och Peking har visat att kärnor i en kristall kan styra en laser och hålla den låst i timmar, i Wienfallet ett helt dygn. Den uppmätta stabiliteten ligger långt efter de bästa optiska atomuren, och noggrannheten har ännu inte bedömts. Cesiumatomen definierar fortfarande den officiella sekunden (BIPM). Nästa steg är att upprepa mätningar över flera dagar och mellan olika apparater, redovisa alla systematiska förskjutningar och sedan jämföra kärnklockorna under längre tid direkt med optiska atomur.