Στη Βιέννη, ερευνητές κατασκεύασαν το πρώτο αυτοσταθεροποιούμενο πυρηνικό ρολόι, ένα πρωτότυπο που μπορεί να λειτουργεί χωρίς να εξαρτάται από ένα συμβατικό ατομικό ρολόι. Η συσκευή χρησιμοποιεί πυρήνες θορίου-229 ως εξαιρετικά σταθερό σημείο αναφοράς για τη συχνότητα ενός laser.
Το ρολόι λειτούργησε αυτόνομα για περισσότερο από 24 ώρες. Η επίδοση που μετρήθηκε αντιστοιχεί σε σχετική ακρίβεια περίπου 10^-15, δηλαδή σε σφάλμα περίπου ενός δευτερολέπτου σε 30 εκατομμύρια χρόνια. Πρόκειται για την ακρίβεια του πρωτοτύπου, όχι για δοκιμή διάρκειας εκατομμυρίων ετών.
Γιατί το θόριο είναι τόσο χρήσιμο
Στα συνηθισμένα ατομικά ρολόγια, η μέτρηση του χρόνου βασίζεται σε μεταπτώσεις ηλεκτρονίων μέσα στα άτομα. Η ομάδα της TU Wien και του PTB Braunschweig στρέφεται στον πυρήνα του ατόμου, ο οποίος είναι πάνω από 10.000 φορές μικρότερος και, επομένως, λιγότερο ευάλωτος σε ορισμένες εξωτερικές διαταραχές.
Το θόριο-229 είναι ιδιαίτερο επειδή δύο ενεργειακές καταστάσεις του πυρήνα απέχουν ασυνήθιστα λίγο. Έτσι, η μετάπτωση μπορεί να διεγερθεί με laser — κάτι που δεν είναι πρακτικά εφικτό με τον ίδιο τρόπο για τους περισσότερους ατομικούς πυρήνες.
Οι ερευνητές είχαν εντοπίσει πειραματικά αυτή τη μετάπτωση το 2024. Αργότερα συνέδεσαν το σύστημα διέγερσης του θορίου με ένα συμβατικό οπτικό ατομικό ρολόι, επιβεβαιώνοντας ότι οι πυρήνες μπορούν να λειτουργήσουν ως εξαιρετικά ακριβής αναφορά χρόνου.
Ο μηχανισμός της αυτοσταθεροποίησης
Το νέο βήμα βασίζεται σε έναν ειδικό κρύσταλλο που περιέχει άτομα θορίου. Το laser φωτίζει τον κρύσταλλο και η συχνότητά του ρυθμίζεται από την απόκριση των πυρήνων.
Αν η συχνότητα του laser αρχίσει να μετατοπίζεται, μειώνεται η ποσότητα φωτός που απορροφούν οι πυρήνες. Το σύστημα ανιχνεύει αυτή την αλλαγή και διορθώνει αυτόματα το laser, επαναφέροντάς το στη σωστή συχνότητα. Με αυτόν τον βρόχο ανάδρασης, το ρολόι μπορεί να διατηρεί τη σταθερότητά του χωρίς τη βοήθεια ενός συμβατικού ατομικού ρολογιού.
Η αυτονομία έχει σημασία επειδή ένα ρολόι που χρειάζεται εξωτερική αναφορά δεν αποτελεί πλήρως ανεξάρτητο πρότυπο μέτρησης. Το πρωτότυπο της Βιέννης δείχνει ότι η πυρηνική μετάπτωση μπορεί να αναλάβει και τον ρόλο της ίδιας της αναφοράς.
Δεν ξεπερνά ακόμη τα κορυφαία ατομικά ρολόγια
Η σημερινή επίδοση είναι εντυπωσιακή για πρώτο πρωτότυπο, αλλά δεν φτάνει ακόμη την ακρίβεια των κορυφαίων οπτικών ατομικών ρολογιών. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι ισχυρότερα laser και καλύτεροι κρύσταλλοι θορίου μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά το αποτέλεσμα.
Αν η τεχνολογία ωριμάσει, ένα πυρηνικό ρολόι θα μπορούσε να προσφέρει νέο πρότυπο για τη μέτρηση του χρόνου. Η ακριβέστερη χρονομέτρηση δεν αφορά μόνο τα ρολόγια: μπορεί να βελτιώσει μετρήσεις άλλων φυσικών μεγεθών και να δώσει πιο ευαίσθητα εργαλεία για τη μελέτη θεμελιωδών ιδιοτήτων της φύσης.
Προς το παρόν, το σημαντικότερο αποτέλεσμα είναι ότι μια ιδέα που μελετάται εδώ και δεκαετίες λειτουργεί πλέον ως ανεξάρτητο σύστημα χρονομέτρησης. Η απόσταση από ένα εργαστηριακό πρωτότυπο έως ένα πρακτικό πρότυπο παραμένει μεγάλη, αλλά το βασικό τεχνικό εμπόδιο της αυτοσταθεροποίησης έχει πλέον αντιμετωπιστεί.
Πηγή: ScienceDaily, με υλικό από το Vienna University of Technology.