Dzisiejsze zegary atomowe należą do najdokładniejszych urządzeń pomiarowych, jakie zbudowali ludzie. Fizycy sprawdzają jednak, czy jeszcze stabilniejszy rytm dałoby się uzyskać nie z elektronów krążących wokół atomu, lecz z jego jądra. Szczególną rolę odgrywa tu tor-229, którego wyjątkowe właściwości mogą kiedyś pozwolić na budowę zegarów jądrowych

Większość zegarów, od naręcznych po systemy obsługujące GPS i internet, działa dzięki śledzeniu regularnych, powtarzalnych ruchów. Żeby zbudować zegar, potrzebne jest coś, co „tyka” w sposób idealnie powtarzalny. W zegarze wahadłowym takim tyknięciem jest regularny ruch wahadła: w jedną stronę i z powrotem, w jedną stronę i z powrotem, niemal w tym samym tempie za każdym razem.

Nasz zespół fizyków bada, czy jeszcze lepszy rodzaj zegara dałoby się kiedyś zbudować z wykorzystaniem jądra atomowego. Dzisiejsze najlepsze zegary już używają atomów do niezwykle dokładnego odmierzania czasu. Co do zasady jednak zegar oparty na jądrze atomowym, czyli maleńkim, gęstym środku atomu, a nie na elektronach, mógłby utrzymywać stabilniejszy rytm, bo byłby mniej wrażliwy na wpływ otoczenia, na przykład zmiany temperatury. W badaniu, którego wyniki opublikowaliśmy w Nature, zmierzyliśmy i zinterpretowaliśmy wyjątkową właściwość jądrową toru-229 umieszczonego w krysztale, która może pomóc w budowie takich zegarów jądrowych.

Ultradokładne zegary nie są tylko naukowymi ciekawostkami. Pełnią ważną funkcję w nawigacji, łączności i międzynarodowym pomiarze czasu. Zwiększenie dokładności odmierzania czasu może też otworzyć drogę do nowych badań naukowych.

Jak działają zegary atomowe

W zegarze atomowym badacze kierują laser na materiał i bardzo precyzyjnie dostrajają światło, aż wywoła ono określoną reakcję atomu. Zazwyczaj chodzi o przeniesienie elektronu z jednego poziomu energii na inny, czyli o jego wzbudzenie. Naukowcy mogą stwierdzić, że do tego doszło, ponieważ atomy najsilniej pochłaniają światło lasera wtedy, gdy jego energia jest dokładnie właściwa.

Pochłanianie zachodzi przy niezwykle precyzyjnej częstotliwości. Częstotliwość oznacza, jak często coś powtarza się w czasie. W przypadku wahadła jest to liczba ruchów tam i z powrotem w ciągu sekundy. W przypadku światła jest to liczba cykli fali przechodzących w ciągu sekundy. Częstotliwość fali świetlnej określa także jej energię, a w zakresie światła widzialnego również jej barwę.

Wykrywając moment, w którym atomy najsilniej pochłaniają światło lasera, naukowcy mogą używać lasera jak metronomu. Takie zegary nie liczą wahnięć, lecz fale świetlne.

Żeby tempo tykania było stałe, a zegar pozostawał dokładny, naukowcy bardzo ściśle dopasowują energię lasera do energii potrzebnej do wzbudzenia elektronu w atomie.

Ponieważ energia wzbudzenia elektronu wynika z praw fizyki, zegary atomowe oparte na tym samym atomie tykają w tym samym tempie wszędzie we wszechświecie. Nawet E.T. zgodziłby się z takim zegarem. Używanie tej energii do wzorcowania zegara, jak robią to zegary atomowe, ma jednak swoją cenę. Jeśli coś zmieni energię atomu, na przykład nieuwzględnione pole magnetyczne albo temperatura w pomieszczeniu, zegar zacznie tykać w innym tempie.

Głęboko w każdym atomie znajduje się coś jeszcze mniejszego: jądro. Dzisiejsze zegary atomowe odmierzają czas, śledząc zmiany zachodzące w elektronach atomu. Zegar jądrowy używałby natomiast wzbudzenia w samym jądrze, które jest znacznie bardziej zwarte. Ponieważ jądro jest 10 tys. razy mniejsze od atomu, jest znacznie mniej wrażliwe na temperaturę, pola elektryczne i inne czynniki zewnętrzne niż elektrony atomu. Dlatego jest obiecującym kandydatem na jeszcze stabilniejszy zegar.

Problem polega na tym, że natura nie ułatwia budowy takiego urządzenia. Wyjątkowa właściwość, którą opisaliśmy w naszym badaniu, może w tym pomóc.

Co wyróżnia tor-229

W jednym, skrajnie rzadkim przypadku jądro pierwiastka tor-229 ma właściwość związaną z dwoma stanami: stanem podstawowym i stanem wzbudzonym o nieco wyższej energii. Stany te odpowiadają dwóm różnym konfiguracjom jądra, a naukowcy są w stanie używać laserów, by wzbudzić jądro i przenieść je z jednego stanu do drugiego.

Pierwszym krokiem było dokładne ustalenie, ile energii potrzeba, by przenieść jądro toru-229 do stanu wzbudzonego. Zajęło to prawie 50 lat. Nam i innym zespołom udało się to osiągnąć w 2024 roku. To przejście zachodzi przy niezwykle wysokiej częstotliwości, około 2 biliardów, czyli 2 × 10¹⁵ cykli na sekundę.

Następnie, żeby mieć pewność, że laser ma właściwą częstotliwość potrzebną do stworzenia zegara, trzeba potwierdzić, że jądro rzeczywiście zostało wzbudzone. Do tej pory fizycy sądzili, że najlepszym sposobem będzie szukanie bardzo słabych błysków światła, które zwykle emitują wzbudzone jądra.

Z tym podejściem wiążą się jednak dwa problemy.

Po pierwsze, w większości materiałów jądra toru oddają energię nie w postaci światła, lecz w procesie zwanym konwersją wewnętrzną. Energia zostaje wtedy przekazana elektronowi w materiale.

Po drugie, nawet jeśli światło zostaje wyemitowane, bardzo trudno je wykryć. Znajduje się ono w zakresie ultrafioletu próżniowego, czyli w części widma elektromagnetycznego pochłanianej przez powietrze i trudnej do obserwacji.

Inny sposób „słuchania” jądra

W naszej pracy odwróciliśmy problem. Zamiast próbować zbierać światło z jądra, szukaliśmy bezpośrednio elektronów powstających w wyniku konwersji wewnętrznej.

Stworzyliśmy bardzo cienką warstwę dwutlenku toru o grubości zaledwie kilkudziesięciu atomów na małym metalowym krążku. Laser dostrojony do właściwej energii wzbudzał jądra toru w próbce. Kiedy część tych jąder wracała do niższego stanu energii, przekazywała energię pobliskim elektronom, które mogły następnie opuścić powierzchnię. Starannie ustawione pola elektryczne i magnetyczne kierowały te elektrony do detektora.

Przemiatając laserem przez różne częstotliwości i zapisując, ile elektronów wykrywaliśmy, mogliśmy zmierzyć, jak dokładnie energia lasera zgadza się z energią potrzebną do wzbudzenia jądra. Gdy obie wartości dokładnie się pokrywały, w danych pojawiał się wyraźny sygnał. Ujawnił on precyzyjną częstotliwość lasera, przy której jądra toru-229 pochłaniają energię najsilniej.

Zmierzyliśmy też, jak długo wzbudzony stan jądrowy utrzymuje się w tym materiale, zanim jądro wróci do niższego stanu energii. Dało nam to bezpośredni wgląd w to, jak otaczający materiał wpływa na jądro.

Sam pomiar staje się znacznie mocniejszy, gdy połączy się go z teorią. Obliczenia mogą oszacować, jak rodzaj użytego materiału przesuwa energię potrzebną do wzbudzenia toru i jak skutecznie przekształca energię jądra w emitowane elektrony. Takie obliczenia pomagają badaczom oddzielić własne zachowanie jądra od efektów zewnętrznych powodowanych przez otaczające je ciało stałe. To zrozumienie jest konieczne przy projektowaniu praktycznych zegarów jądrowych.

Dlaczego ta metoda ma znaczenie

Wykrywanie elektronów zamiast światła ma dwie duże zalety.

Po pierwsze, otwiera drogę do badania toru-229 w znacznie szerszej grupie materiałów stałych, także takich, które wcześniej badacze odrzucali. Wcześniejsze podejścia działały najlepiej tylko w materiałach, z których trudno było wybić elektrony. To ograniczało wybór. Nasza metoda łagodzi to ograniczenie i pozwala naukowcom badać materiały, które wcześniej były niepraktyczne. Szerszy wybór materiałów może ułatwić projektowanie i budowę przyszłych zegarów jądrowych.

Po drugie, ta metoda może pozwolić na stworzenie nowego rodzaju zegara jądrowego, prostszego i potencjalnie łatwiejszego do miniaturyzacji. Zamiast czułych detektorów światła taki zegar mógłby odczytywać czas przez pomiar bardzo słabego prądu elektrycznego wytwarzanego przez emitowane elektrony.

Do czego mogłyby służyć zegary jądrowe

Pewnego dnia badacze mogą używać zegarów jądrowych do sprawdzania, czy podstawowe stałe natury rzeczywiście pozostają stałe przez bardzo długi czas, albo do szukania we wszechświecie śladów nowej fizyki, na przykład ciemnej materii. Stabilniejsze zegary mogłyby też ulepszyć technologie zależne od zsynchronizowanego pomiaru czasu, takie jak zaawansowane systemy nawigacyjne.

Nasza praca jest wczesnym krokiem w tym kierunku. Nie daje gotowego zegara, ale usuwa praktyczną przeszkodę i dostarcza nowego narzędzia eksperymentalnego do badania tego, jak jądro toru zachowuje się wewnątrz ciał stałych.

Autorzy

Eric R. Hudson – profesor fizyki i astronomii na University of California, Los Angeles.

Andrei Derevianko – profesor fizyki na University of Nevada, Reno.

Artykuł Using atomic nuclei could allow scientists to read time more precisely than ever – what this research could mean for future clocks ukazał się w serwisie The Conversation.

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi