Τα ατομικά ρολόγια έχουν χρησιμεύσει ως το πιο ακριβές μέσο μέτρησης του χρόνου στον κόσμο για περισσότερα από 70 χρόνια, αλλά η βασιλεία τους μπορεί επιτέλους να τελειώνει. Σύμφωνα με έναν ανακοίνωση από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στις 4 Σεπτεμβρίου, μια διεθνής ερευνητική ομάδα είναι πιο κοντά από ποτέ στην ολοκλήρωση του πρώτου πρωτοτύπου ενός πυρηνικού ρολογιού. Όταν φτάσει, οι ειδικοί πιστεύουν ότι η βελτιωμένη ακρίβειά του όχι μόνο θα μπορούσε να αναβαθμίσει τα πάντα, από το GPS και τις ταχύτητες Διαδικτύου έως την ψηφιακή ασφάλεια – μια τέτοια συσκευή μπορεί επίσης να βοηθήσει στην ανίχνευση της φύσης της σκοτεινής ύλης και άλλων θεμελιωδών θεωριών της φυσικής σωματιδίων.
Μπορεί να μην ακούγεται ότι υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ των δύο ρολογιών με την πρώτη ματιά, αλλά όλα είναι θέμα κλίμακας. Τα ατομικά ρολόγια βασίζουν τη χρονομέτρησή τους στη μέτρηση των ακριβών κραδασμών μεμονωμένων ατόμων για να ορίσουν ένα δευτερόλεπτο. Για να γίνει αυτό, ένα φως λέιζερ υψηλής ισχύος εκπαιδεύεται σε ένα άτομο καισίου-133, το οποίο στη συνέχεια διεγείρει τα ηλεκτρόνια του στη φάση μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων με ακριβώς 9.192.631.770 δονήσεις σε χρονικό διάστημα ενός δευτερολέπτου. Στη συνέχεια, τα δίκτυα ατομικών ρολογιών σε όλο τον πλανήτη συγχρονίζουν τα συστήματά τους με αυτή τη μέτρηση για να παρέχουν εξαιρετικά ακριβή συντονισμό για επικοινωνίες στο Διαδίκτυο, χαρτογράφηση, εκτοξεύσεις στο διάστημα, μεταξύ πολλών άλλων χρήσεων. Από το 2014, το κύριο τρέχον πρότυπο στις ΗΠΑ – ένα ρολόι με κρήνη καισίου που βρίσκεται στο NIST – μπορεί να κρατά το χρόνο με αβεβαιότητα 1 δευτερόλεπτο σε 300 εκατομμύρια χρόνια.
Τα πυρηνικά ρολόγια, ωστόσο, θα εφαρμόσουν αυτές τις έννοιες σε εκθετικά πιο ακριβείς παραμέτρους. Όπως υποδηλώνει το όνομά τους, αυτές οι συσκευές επικεντρώνονται στις δονήσεις από έναν μόνο πυρήνα σε αντίθεση με αυτές του μεγαλύτερου ατόμου. Φως λέιζερ εκπαιδευμένο σε πυρήνες (100.000 φορές μικρότερο από το συνολικό άτομό του) χρειάζονται υψηλότερες συχνότητες, γεγονός που εξασφαλίζει επίσης περισσότερους κύκλους κυμάτων ανά δευτερόλεπτο. Αυτό αυξάνει τις δονήσεις ανά δευτερόλεπτο, κάτι που στη συνέχεια επιτρέπει μεγαλύτερη ακρίβεια. Θεωρητικά, αυτά οδηγούν σε χρονικές αβεβαιότητες που κάνουν τα 300 εκατομμύρια χρόνια να φαίνονται αναξιόπιστα σε σύγκριση.
«Φανταστείτε ένα ρολόι χειρός που δεν θα έχανε δευτερόλεπτο ακόμα κι αν το άφηνα να λειτουργεί για δισεκατομμύρια χρόνια», είπε ο φυσικός NIST και JILA Jun Ye στην Τετάρτη. ανακοίνωση. «Ενώ δεν είμαστε ακόμα εκεί, αυτή η έρευνα μας φέρνει πιο κοντά σε αυτό το επίπεδο ακρίβειας».
Σε γενικές γραμμές, οι πυρήνες απαιτούν συνεκτικές ακτίνες Χ για να κάνουν παρόμοια άλματα φάσης – αλλά η τρέχουσα τεχνολογία απλά δεν μπορεί να παράγει τα επίπεδα ενέργειας που απαιτούνται για να γίνει αυτό. Για να αντιμετωπίσουν αυτό το εμπόδιο, οι ερευνητές στράφηκαν στο θόριο-229, του οποίου ο πυρήνας εμφανίζει μικρότερο άλμα από οποιοδήποτε άλλο γνωστό άτομο, ενώ απαιτεί επίσης μόνο υπεριώδες φως χαμηλότερης ενέργειας για διέγερση.
Μόλις οι πυρήνες του θορίου αιωρηθούν σε έναν μικρό κρύσταλλο, οι ερευνητές έριξαν ακτίνες λέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας σε αυτό σε προβλέψιμα διαστήματα, ενώ χρησιμοποιούσαν αυτό που είναι γνωστό ως χτένα οπτικής συχνότητας – που περιγράφεται ως «εξαιρετικά ακριβής χάρακας φωτός» – για να μετρήσουν τα δονητικά «τσιμπούρια» των πρωτονίων. και τα νετρόνια. Τα αποτελέσματα ήταν ένα επίπεδο ακρίβειας περίπου 1 εκατομμύριο φορές υψηλότερο από προηγούμενες μετρήσεις με βάση το μήκος κύματος. Η ομάδα συνέκρινε επίσης τη συχνότητα UV με την οπτική συχνότητα ενός άλλου από τα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια με βάση το στρόντιο στον κόσμο για να δημιουργήσει την πρώτη «άμεση σύνδεση συχνότητας» μεταξύ μιας πυρηνικής μετάπτωσης και ενός ατομικού μπλοκ – ένα «κρίσιμο βήμα στην ανάπτυξη του πυρηνικού ρολογιού και την ενσωμάτωσή του με τα υπάρχοντα συστήματα χρονομέτρησης», σύμφωνα με το NIST.
[Related: The most precise atomic clocks ever are proving Einstein right—again.]
Δεν είναι μόνο τα εμπόδια μέτρησης του χρόνου που σπάνε σε αυτά τα πειράματα. Η νέα διάταξη επέτρεψε επίσης στους φυσικούς να παρατηρήσουν το σχήμα ενός πυρήνα θορίου με πρωτοποριακή λεπτομέρεια, το οποίο η ομάδα συγκρίνει με τη δυνατότητα προβολής μεμονωμένων λεπίδων γρασιδιού μέσα από ένα αεροπλάνο.
Αν και δεν είναι ένα πλήρως ολοκληρωμένο πυρηνικό ρολόι, οι ερευνητές απέδειξαν για πρώτη φορά τη σκοπιμότητα των βασικών αρχών του. Από εδώ, οι ειδικοί μπορούν τώρα να αρχίσουν να σχεδιάζουν μια πραγματική συσκευή για την εφαρμογή τέτοιων εργαλείων. Όταν ολοκληρωθούν, τα πυρηνικά ρολόγια μπορεί μια μέρα να υποστηρίζουν ταχύτερη και πιο αξιόπιστη σύνδεση στο διαδίκτυο, πιο ακριβή συστήματα χαρτογράφησης και να διευκολύνουν σημαντικές ανακαλύψεις στον κόσμο της φυσικής, όπως η ανίχνευση της σκοτεινής ύλης ή η επαλήθευση θεωρητικών σταθερών της φύσης, όλα αυτά χωρίς την ανάγκη για τεράστια σωματίδια επιταχυντές.
VIA: popsci.com
