Thoriumkärnor styr klockor, kristaller stör precisionen

I vanliga atomur är det elektroner som håller laserfrekvensen på plats. Nu har forskarlag i Wien och Peking för första gången byggt klockor där atomkärnan tar över den uppgiften. Resultaten publicerades i Nature den 7 oktober (Reuters). Toriumkärnan korrigerar lasern fortlöpande och ger fysiker ett nytt mätinstrument. Små frekvensförskjutningar från kristallerna som håller toriet på plats gör dock att klockorna ännu inte kan användas för tillförlitlig tidmätning.

Varje klocka bygger på en rytm och korrigeringar. En pendel svänger, och urmakaren justerar den när den börjar gå fel. I ett atomur sköter fysiken korrigeringen: en laser jämförs hela tiden med en energiövergång, där en atom absorberar ljus med en bestämd frekvens. Frekvensen är mycket stabil, även om atomens omgivning kan påverka den något.

I vanliga atomur gör en elektron energiövergången. Torium-229 är ovanligt eftersom dess kärna har en övergång som kan nås med ultraviolett laserljus. De flesta kärnövergångar kräver betydligt mer energirik strålning. Eftersom atomkärnor är så små bör de också påverkas mindre av oönskade elektriska och magnetiska fält än elektronmolnen runt dem (Physics World).

När kärnan tar över

Båda forskarlagen bäddade in torium-229 i små kalciumfluoridkristaller och lät en smalbandig ultraviolett laser passera genom dem. Vid rätt frekvens absorberade kärnorna något mer ljus. Styrsystemet varierade laserfrekvensen på båda sidor om absorptionsmaximum, räknade ut vilken sida den låg på och korrigerade lasern mot mitten (Vienna Nature paper, Chinese Nature paper).

En körfältsassistent fungerar på liknande sätt. En kamera läser av vägmarkeringarna och systemet gör små styrkorrigeringar för att hålla bilen i körfältet. I klockan fungerar absorptionssignalen som kameran, medan laserstyrningen vrider på ratten.

Det är den återkopplingen som är det nya steget. Redan 2024 hade experiment visat att laserljus kunde sätta i gång övergången (Physical Review Letters). Då avlästes signalen oftast genom det långsamma efterljuset från exciterade kärnor. Det kommer för sent för att lasern ska kunna korrigeras från ögonblick till ögonblick. Att hitta en radiokanal en gång är en sak; att hålla sig inställd på den är en annan. Direkt absorption ger en signal som är snabb nog för det senare.

De två forskarlagen nådde resultatet var för sig. TU Wien beskriver sin apparat som en självstabiliserande kärnklocka (TU Wien), medan arbetet i Kina leddes från Tsinghua University (Tsinghua). Att två grupper har byggt var sin klocka med samma princip stärker resultaten.

Jämn gång, men ännu inte rätt frekvens

Klockor bedöms efter två olika egenskaper. Stabilitet handlar om hur jämnt en klocka går från ögonblick till ögonblick. På den punkten når prototyperna ännu inte upp till etablerade optiska atomur. Noggrannhet handlar om huruvida klockan ändå visar fel tid: ett ur kan gå helt jämnt men ligga fem minuter före.

Kristallen påverkar noggrannheten. Varje toriumkärna sitter på sin plats i kristallen, och lokala spänningar eller defekter kan förskjuta dess karakteristiska frekvens. Därför kan mätningen bero på var laserljuset passerar genom kristallen. Pekinggruppen fann ett lovande tecken: två kristaller som odlats var för sig gav frekvenser som låg nära varandra (Chinese Nature paper). Inget av lagen har ännu redovisat en fullständig genomgång av alla effekter som kan påverka frekvensen.

På jakt efter mörk materia

Även som ofullständigt atomur kan apparaten redan användas i fysikforskning. Vissa teorier säger att mörk materia, den osynliga materia som står för merparten av universums massa, kan påverka de krafter som bestämmer frekvenserna – svagt men regelbundet. En kärnklocka och ett elektronbaserat atomur skulle påverkas olika. Förhållandet mellan deras frekvenser skulle då variera i en regelbunden takt.

Wiengruppen körde sin toriumklocka parallellt med ett vanligt atomur och letade efter just en sådan variation. Gruppen fann ingen, och forskarna säger att resultatet utesluter vissa specifika modeller för mörk materia, men inte mörk materia generellt (Vienna Nature paper).

Sekunden definieras fortfarande med hjälp av cesiumatomer (BIPM), och prototyperna lär inte ändra det inom kort. De har visat att en kärna kan styra en klocka medan den går. För att klockan ska kunna mäta tid tillförlitligt behöver forskarna nu kristaller som håller toriet på plats utan att förskjuta dess frekvens. Det är ett problem som kristallodlarna i Wien och Peking har bäst förutsättningar att lösa.