Επιστήμονες κατασκεύασαν το πρώτο λειτουργικό πυρηνικό ρολόι, το οποίο χρησιμοποιεί τις ταλαντώσεις των ατομικών πυρήνων για να μετρά τον χρόνο. Τα πυρηνικά ρολόγια αποτελούν στόχο έρευνας εδώ και περισσότερο από δύο δεκαετίες και, σύμφωνα με τους ερευνητές, θα μπορούσαν κάποια στιγμή να προσφέρουν εξαιρετικά ακριβή μέτρηση του χρόνου, αλλά και πειράματα για την αναζήτηση νέας φυσικής.
Τα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια που διαθέτουμε σήμερα βασίζονται στα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν διακριτά ενεργειακά επίπεδα, ή τροχιές, γύρω από τον ατομικό πυρήνα και μετακινούνται από τη μία στην άλλη μόνο όταν διεγείρονται από φως συγκεκριμένης συχνότητας. Η συχνότητα ενός φωτεινού κύματος ορίζεται από το πόσα κύματα περνούν μέσα σε συγκεκριμένο χρόνο, οπότε η καταμέτρηση αυτών των κυμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση του χρόνου, όπως οι χτύποι ενός εκκρεμούς σε ένα παλιό ρολόι.
Στο ατομικό ρολόι, ένα λέιζερ ρυθμισμένο στη συχνότητα που διεγείρει τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιείται για να ενεργοποιήσει ένα σύνολο ατόμων. Αν η συχνότητα αποκλίνει από τη σωστή τιμή, λιγότερα ηλεκτρόνια μεταπηδούν ανάμεσα στα ενεργειακά επίπεδα και η συχνότητα διορθώνεται. Έτσι διατηρείται η ακρίβεια της μέτρησης του χρόνου και τα ρολόγια αυτής της κατηγορίας χάνουν μόλις λίγα δευτερόλεπτα σε ένα δισεκατομμύριο χρόνια.
Οι ατομικοί πυρήνες μπορούν επίσης να μεταπηδούν ανάμεσα σε ενεργειακά επίπεδα. Θεωρητικά, υπόσχονται μεγαλύτερη ακρίβεια από τα ηλεκτρόνια, επειδή έχουν πολύ υψηλότερες ενέργειες και απαιτούν πιο ακριβή διέγερση. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαν να λειτουργούν με σταθερότητα δευτερολέπτων σε χρονικό διάστημα εκατοντάδων δισεκατομμυρίων ετών, πολύ μεγαλύτερο από την ηλικία του σύμπαντος, κάτι που θα βοηθούσε τους φυσικούς να αναζητήσουν νέα, εξωτική φυσική.
Ωστόσο, ένα πρακτικό εμπόδιο για την κατασκευή τέτοιων ρολογιών είναι ότι οι περισσότεροι πυρήνες χρειάζονται περισσότερη ενέργεια για να διεγερθούν από όση μπορούν να προσφέρουν ακόμη και τα πιο ισχυρά λέιζερ. Το ραδιενεργό θόριο όμως μπορεί να διεγερθεί με σχετικά μικρή ενέργεια και γι’ αυτό βρίσκεται στο επίκεντρο της προσπάθειας για ένα πυρηνικό ρολόι, από τότε που η συγκεκριμένη συχνότητα λέιζερ που απαιτείται για τη διέγερση του πυρήνα του ανακαλύφθηκε το 2023.
Τώρα, ο Thorsten Schumm από το Vienna University of Technology στην Αυστρία και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν μια τέτοια συσκευή. Φτιαγμένη από θόριο, δείχνει ήδη δυναμικό στην αναζήτηση των άπιαστων σωματιδίων της σκοτεινής ύλης. «Είναι η κορύφωση 15 με 20 χρόνων έρευνας», λέει ο Schumm. «Είναι εκπληκτικό. Πολύ λίγοι ερευνητές βλέπουν πραγματικά το όνειρό τους να γίνεται αληθινό».
Προηγούμενα συστήματα είχαν δείξει ότι η πυρηνική συχνότητα του θορίου μπορεί να διεγερθεί με το σωστό λέιζερ, όμως δεν διέθεταν τον διακριτό μηχανισμό ρύθμισης της συχνότητας που χαρακτηρίζει ένα λειτουργικό ρολόι. «Αν πρόκειται ποτέ να υπάρξει μια στιγμή του τύπου “αυτό είναι”, τότε μάλλον είναι αυτή», λέει ο Harry Morgan από το University of Manchester στη Βρετανία.
Ο Schumm και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν το ρολόι ενσωματώνοντας το θόριο σε κρύσταλλο από φθοριούχο ασβέστιο και περνώντας μέσα από αυτό ένα υπεριώδες λέιζερ. Το λέιζερ, που λειτουργεί ως ο “χτύπος” του ρολογιού, εναλλάσσεται περιοδικά ανάμεσα σε δύο συχνότητες λίγο πάνω και λίγο κάτω από τη γνωστή πυρηνική συχνότητα του θορίου. Αν οι ελαφρώς υψηλότερες και χαμηλότερες συχνότητες απορροφώνται εξίσου από το θόριο, τότε το λέιζερ είναι σωστά ρυθμισμένο. Αν όχι, το ρολόι χρησιμοποιεί αυτή τη διαφορά ως ανάδραση για να προσαρμόσει το λέιζερ στη σωστή συχνότητα.
Το πυρηνικό ρολόι δεν έχει ακόμη τη σταθερότητα των καλύτερων ατομικών ρολογιών και προς το παρόν χάνει δεκάδες δευτερόλεπτα σε ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Ωστόσο, ο Schumm και η ομάδα του υποστηρίζουν ότι το ρολόι αποτελεί κυρίως απόδειξη αρχής και ότι δεν έχει γίνει ακόμη η τελική ρύθμιση του συστήματος με τα καλύτερα διαθέσιμα λέιζερ και ηλεκτρονικά.
Για ένα τόσο απλό πρωτότυπο, η σταθερότητά του είναι εντυπωσιακή, λέει το μέλος της ομάδας Ekkehard Peik από το PTB, το γερμανικό εθνικό ινστιτούτο μετρολογίας. «Αυτό που με εντυπωσίασε περισσότερο ήταν ότι το σύστημα λειτούργησε όλη τη νύχτα και για 24 ώρες χωρίς παρέμβαση από χρήστη», λέει. «Αυτό δεν έχει επιτευχθεί τόσο γρήγορα με άλλα οπτικά ρολόγια».
Ακόμη κι αν δεν έχει αυτή τη σταθερότητα, το πυρηνικό ρολόι μπορεί να κάνει πράγματα που τα ατομικά ρολόγια δεν μπορούν. Επειδή ο πυρήνας προστατεύεται από το χαοτικό ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον των ηλεκτρονίων του ατόμου, διαθέτει μια πολύ ακριβή μετάβαση που δεν επηρεάζεται από τα κινούμενα ηλεκτρόνια. Αυτό το καθιστά πιο ευαίσθητο σε εξωτερικές επιδράσεις της φυσικής. Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι μπορούν να μετρηθούν ευαίσθητες ιδιότητες των νουκλεονίων χωρίς τον “θόρυβο” των ηλεκτρονίων, κάτι που βοηθά τόσο στην ακριβέστερη μέτρηση του χρόνου όσο και στη μέτρηση θεμελιωδών φυσικών ιδιοτήτων με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Δεν χρειάζεται επίσης να ψύχεται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες ούτε να τοποθετείται τα άτομα σε κενό, όπως συμβαίνει με τα ατομικά ρολόγια, αλλά λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου. «Είναι πραγματικά το πιο απλό πράγμα που μπορείς να φανταστείς», λέει ο Schumm.
Αυτό σημαίνει ότι το σύστημα θα μπορούσε να μικρύνει πιο εύκολα, λέει ο ίδιος, κάτι που ίσως επιτρέψει τη χρήση του σε πολλά διαφορετικά πειράματα, όπως δοκιμές της σχετικότητας σε δορυφόρους. «Αν και η τωρινή απόδοση είναι σημαντικά χαμηλότερη από το σημερινό state of the art, μπορούμε να περιμένουμε βελτίωση κατά τάξεις μεγέθους στο άμεσο μέλλον», λέει ο Eric Hudson από το University of California, Los Angeles.
Ο Schumm και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν τις πολύ υψηλές ενέργειες του πυρήνα του θορίου για να αποκλείσουν πιθανά σωματίδια σκοτεινής ύλης. Αν η σκοτεινή ύλη είναι μια δύναμη παρόμοια με την ηλεκτρομαγνητική που διαπερνά το σύμπαν, τότε θα πρέπει να μεταβάλλει ανεπαίσθητα τις πυρηνικές μεταπτώσεις ενέργειας όλης της ύλης, συμπεριλαμβανομένου του θορίου. Αυτό θα έκανε τη συγκεκριμένη συχνότητα στην οποία λειτουργεί το ρολόι μετρήσιμα διαφορετική, κάτι που θα ήταν ορατό χάρη στην υψηλή πυρηνική συχνότητα του θορίου. «Είναι λίγο σαν να θέλεις να μετρήσεις τη μεταβολή του μήκους [σε ένα μέταλλο] λόγω της θερμότητας», λέει ο Schumm. «Όσο πιο μακρύ είναι το ραβδί σου, τόσο μεγαλύτερο είναι το αποτέλεσμα».
arXiv DOI: arXiv:2606.04997
