Οι επιστήμονες κατασκεύασαν το πρώτο λειτουργικό πυρηνικό ρολόι, που χρησιμοποιεί τις δονήσεις των ατομικών πυρήνων για να μετρά τον χρόνο. Τα πυρηνικά ρολόγια αναζητούνται εδώ και πάνω από δύο δεκαετίες και θα μπορούσαν να επιτρέψουν εξαιρετικά ακριβή χρονομέτρηση και πειράματα για την ανίχνευση νέας φυσικής.
Σήμερα, τα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια βασίζονται στα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν συγκεκριμένα ενεργειακά επίπεδα γύρω από τον πυρήνα και μεταπηδούν μεταξύ τους μόνο όταν διεγείρονται με φως πολύ συγκεκριμένης συχνότητας. Καθώς η συχνότητα ορίζεται από το πόσα κύματα περνούν σε συγκεκριμένο χρόνο, η καταμέτρησή τους λειτουργεί όπως το «τικ-τακ» ενός εκκρεμούς.
Σε ένα ατομικό ρολόι, ένα λέιζερ ρυθμισμένο στη συχνότητα που διεγείρει τα ηλεκτρόνια διεγείρει ένα σύνολο ατόμων. Αν αποκλίνει από τη σωστή συχνότητα, λιγότερα ηλεκτρόνια αλλάζουν επίπεδο και το σύστημα διορθώνει τη συχνότητα. Έτσι εξασφαλίζεται ακρίβεια που μεταφράζεται σε απώλεια μόλις λίγων δευτερολέπτων κάθε δισεκατομμύριο χρόνια.
Και οι πυρήνες μπορούν να μεταπηδούν μεταξύ ενεργειακών καταστάσεων. Θεωρητικά προσφέρουν μεγαλύτερη ακρίβεια, επειδή έχουν πολύ υψηλότερες ενέργειες και απαιτούν πιο ακριβή διέγερση. Αυτό ανοίγει προοπτική σταθερότητας της τάξης των δευτερολέπτων σε εκατοντάδες δισεκατομμύρια χρόνια, πολύ πέρα από την ηλικία του σύμπαντος, κάτι που θα βοηθούσε στην αναζήτηση «εξωτικής» νέας φυσικής.
Το πρακτικό εμπόδιο ήταν ότι οι περισσότεροι πυρήνες χρειάζονται περισσότερη ενέργεια για διέγερση απ’ ό,τι μπορούν να δώσουν ακόμη και τα πιο ισχυρά λέιζερ. Το ραδιενεργό θόριο όμως διεγείρεται με σχετικά λίγη ενέργεια και έκτοτε αποτελεί το επίκεντρο της προσπάθειας για πυρηνικό ρολόι, ειδικά μετά τον προσδιορισμό το 2023 της ακριβούς συχνότητας λέιζερ που απαιτείται για τη διέγερση του πυρήνα του.
Τώρα, ο Thorsten Schumm στο Vienna University of Technology στην Αυστρία και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν μια τέτοια συσκευή. Είναι φτιαγμένη από θόριο και ήδη δείχνει δυνατότητες στην αναζήτηση των δυσδιάκριτων σωματιδίων σκοτεινής ύλης. «Είναι η κορύφωση 15 έως 20 ετών έρευνας», λέει ο Schumm. «Είναι απίστευτο. Λίγοι ερευνητές βλέπουν πραγματικά το όνειρό τους να γίνεται πραγματικότητα.»
Προηγούμενα συστήματα είχαν δείξει ότι η πυρηνική συχνότητα του θορίου μπορεί να διεγερθεί με το κατάλληλο λέιζερ, αλλά τους έλειπε ο διακριτός μηχανισμός ρύθμισης συχνότητας που χαρακτηρίζει ένα λειτουργικό ρολόι. «Αν ποτέ υπήρχε μια στιγμή “αυτό ήταν”, μάλλον είναι αυτή», λέει ο Harry Morgan στο University of Manchester, Ηνωμένο Βασίλειο.
Η ομάδα ενσωμάτωσε το θόριο σε κρύσταλλο φθοριούχου ασβεστίου και έστειλε μέσω του κρυστάλλου ένα υπεριώδες λέιζερ. Το λέιζερ, που λειτουργεί ως «τικ-τακ» του ρολογιού, εναλλάσσεται περιοδικά ανάμεσα σε δύο συχνότητες ακριβώς πάνω και κάτω από τη γνωστή πυρηνική συχνότητα του θορίου. Αν οι δύο αυτές συχνότητες απορροφώνται εξίσου, το λέιζερ είναι σωστά ρυθμισμένο. Αν όχι, το ρολόι χρησιμοποιεί τη διαφορά ως ανάδραση για να ρυθμίσει το λέιζερ στη σωστή τιμή.
Το πυρηνικό ρολόι δεν έχει ακόμη τη σταθερότητα των καλύτερων ατομικών ρολογιών· προς το παρόν αντιστοιχεί σε απώλεια δεκάδων δευτερολέπτων ανά δισεκατομμύριο χρόνια. Ο Schumm και η ομάδα του τονίζουν ότι πρόκειται για απόδειξη αρχής και δεν έχουν ακόμη βελτιστοποιήσει το σύστημα με τα καλύτερα διαθέσιμα λέιζερ και ηλεκτρονικά.
Για ένα τόσο απλό πρωτότυπο, επιδεικνύει εντυπωσιακή σταθερότητα, λέει ο Ekkehard Peik στο 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 χρήστη», σημειώνει. «Κάτι που δεν έχει επιτευχθεί τόσο γρήγορα με άλλα οπτικά ρολόγια.»
Ακόμη κι έτσι, το πυρηνικό ρολόι μπορεί να κάνει πράγματα που τα ατομικά δεν μπορούν. Επειδή ο πυρήνας θωρακίζεται από το χαοτικό ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον των ηλεκτρονίων, διαθέτει μια πολύ καθαρή μετάβαση που δεν επηρεάζεται από την κίνηση των ηλεκτρονίων, γεγονός που το καθιστά πιο ευαίσθητο σε εξωτερικά φυσικά φαινόμενα. Στην πράξη, αυτό επιτρέπει τη μέτρηση ευαίσθητων ιδιοτήτων των νουκλεονίων χωρίς τον «θόρυβο» των ηλεκτρονίων, βοηθώντας τόσο στην ακριβέστερη χρονομέτρηση όσο και στη μέτρηση θεμελιωδών φυσικών μεγεθών με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Δεν χρειάζεται επίσης να ψύχεται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες ούτε να τοποθετούνται τα άτομα σε κενό, όπως στα 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 μπορεί να σμικρυνθεί ευκολότερα, κάτι που θα επέτρεπε τη χρήση του σε πολλά διαφορετικά πειράματα, όπως δορυφορικές δοκιμές της σχετικότητας. «Παρότι η τρέχουσα επίδοση είναι αισθητά κάτω από την αιχμή της τεχνολογίας, μπορούμε να περιμένουμε βελτίωση κατά τάξεις μεγέθους στο άμεσο μέλλον», λέει ο Eric Hudson στο University of California, Los Angeles.
Ο Schumm και οι συνεργάτες του αξιοποίησαν τις πολύ υψηλές ενέργειες του πυρήνα του θορίου για να αποκλείσουν πιθανά σωματίδια σκοτεινής ύλης. Αν η σκοτεινή ύλη είναι μια ηλεκτρομαγνητικού τύπου δύναμη που διαπερνά το σύμπαν, θα πρέπει να μεταβάλλει ανεπαίσθητα τις πυρηνικές ενεργειακές μεταβάσεις όλης της ύλης, συμπεριλαμβανομένου του θορίου. Αυτό θα έκανε τη συγκεκριμένη συχνότητα λειτουργίας του ρολογιού μετρήσιμα διαφορετική, κάτι που θα ήταν εμφανές λόγω της υψηλής πυρηνικής συχνότητας του θορίου. «Είναι λίγο σαν να θέλεις να μετρήσεις την αλλαγή μήκους [σε ένα μέταλλο] λόγω μεταβολής της θερμοκρασίας», λέει ο Schumm. «Όσο πιο μακριά είναι το ραβδί σου, τόσο μεγαλύτερο το φαινόμενο.»
arXiv DOI: arXiv:2606.04997
