Proveržis. Mokslininkai pristatė pirmąjį pasaulyje branduolinį laikrodį

Neseniai įvyko reikšmingas proveržis kuriant pirmuosius branduolinius laikrodžius – prototipą, kuris žada amžiams pakeisti ne tik laiko matavimo sritį, bet ir mūsų supratimą apie fiziką.

Dešimtmečius viso pasaulio mokslininkai bandė sukurti branduolinius laikrodžius, kurie matuotų laiką neprilygstamu tikslumu.

Neseniai JILA (Jungtinio laboratorinės astrofizikos instituto), bendros NIST (Nacionalinio standartų ir technologijų instituto) ir Amerikos lazerių įmonės IMRA mokslininkų bei Vienos kvantinės mokslo ir technologijų centro fizikų komanda pristatė pirmąjį branduolinių laikrodžių prototipą.

Naudodamiesi šia sistema, mokslininkai padėjo pamatus naujai laiko matavimo erai.

„Įsivaizduokite rankinį laikrodį, kuris neprarastų nė sekundės net per milijardus metų“, – sako fizikas Czun Jė iš NIST ir JILA.

„Mes dar nepasiekėme šio tikslo, tačiau šis tyrimas mus priartina prie tokio tikslumo“, – priduria jis.

Savo straipsnyje, paskelbtame žurnale Nature, mokslininkai pažymi, kad šie laikrodžiai kol kas nėra tikslesni už atominius laikrodžius.

Tačiau tai nėra pagrindinis tikslas – tai pirmasis žingsnis link torio naudojimo.

Fizikas Torstenas Štrummas iš Vienos technologijų universiteto spaudos pranešime teigė: „Naudodami šį pirmąjį prototipą pademonstravome, kad toris gali būti naudojamas kaip chronometras itin tiksliems matavimams.“

Nuo atominių iki branduolinių laikrodžių

Įprastuose laikrodžiuose laiko matavimui naudojamas kvarcinis generatorius, kuris sukelia tam tikro dažnio kristalų virpesius.

Tuo tarpu atominiai laikrodžiai naudoja lazerio spindulio virpesius, kurie priverčia elektronus, skriejančius aplink atomų branduolius, pereiti iš vieno energijos lygio į kitą.

Nors atominiai laikrodžiai yra labai tikslūs, juos riboja naudojamo lazerio dažnis, o laikui bėgant reikia juos perkalibruoti. Tai juos daro netinkamus itin rizikingiems matavimams.

Branduoliniai laikrodžiai gali užpildyti šią spragą. Jei atominiai laikrodžiai per milijonus metų praranda vieną sekundę, tai branduoliniai laikrodžiai prarastų tik vieną sekundę per milijardus metų.

Vis dėlto, kaip aiškino Štrummas, „be lazerio jums reikia kvantinės sistemos, kuri itin selektyviai reaguotų į tam tikrą lazerio dažnį“.

Branduolio svarba

Dešimtmečius idėja naudoti atomo branduolį laikrodžių tikslumui padidinti sužavėjo daugelį pirmaujančių fizikų. Kadangi branduolys yra mažesnis nei atomas, jis mažiau reaguoja į išorinius magnetinius laukus.

Tačiau problema yra energijos kiekis, reikalingas branduoliui perjungti tarp dviejų būsenų. Tačiau torio branduoliai yra išimtis, ir juos galima perjungti naudojant lazerį. Svarbiausia yra tiksliai žinoti energijos skirtumą tarp dviejų būsenų.

Balandį profesorius Štrummas ir jo komanda padarė didelį žingsnį į priekį, tiksliai nustatydami šį energijos skirtumą, kas leido tikslingai valdyti torio branduolius. Dėl padidėjusio tikslumo galima keisti torio-229 branduolio energijos lygį taip, kaip tai daroma su elektronais.

Viename eksperimente mokslininkai sujungė JILA stroncio atominius laikrodžius su kristalu, kuriame buvo torio branduoliai. Jiems pavyko paversti infraraudonąją šviesą ultravioletiniais spinduliais.

„Mums reikia būdo, kaip infraraudonųjų spindulių dažnius paversti ultravioletiniais, panašiai kaip mechaninė transmisija lėtą sukimąsi paverčia greitu, naudodama atitinkamas krumpliaračius“, – aiškina Štrummas.

„Pasiekėme kilohercų tikslumą, kas yra milijoną kartų geriau nei ankstesniuose bandymuose. Tikimės per 2-3 metus pranokti geriausius atominius laikrodžius“, – sakė Štrummas. „Visi likę darbai – tai tik techniniai patobulinimai, ir nėra jokių rimtų kliūčių, dėl kurių reikėtų nerimauti“, – apibendrino jis.

Ateityje ši technologija leis tiksliau matuoti ir kitas fizines dydžius. Pavyzdžiui, toks didžiausias tikslumas galėtų būti naudojamas tirti fundamentalius gamtos dėsnius ir nustatyti, ar tam tikros fizikinės konstantos yra absoliučiai pastovios.