Vienoje ir Pekine pradėjo tiksėti pirmieji branduoliniai laikrodžiai

Laikrodis, kurio ritmą lemtų pats atomo branduolys, fizikams buvo svajonė beveik 50 metų. Taip „Nuclear Newswire“ cituoja Vienos technikos universiteto (TU Wien) profesorių Thorsteną Schummą, kurio komanda šio tikslo siekia nuo 2008 m. Spalio 7 d. žurnalas Nature viename numeryje išspausdino du straipsnius, iš Vienos ir iš Pekino: abiejose laboratorijose torio-229 branduolinis laikrodis jau veikia.

Kas yra branduolinis laikrodis?

Branduolinis laikrodis laiką matuoja pagal tai, kaip lazeris perjungia atomo branduolį iš vienos energijos būsenos į kitą. Įprastuose atominiuose laikrodžiuose, pirmą kartą pademonstruotuose XX a. 5-ojo dešimtmečio pabaigoje, šuoliuoja ne branduolys, o aplink jį esantys elektronai.

Daugumos branduolių energijos būsenos nutolusios per toli, kad jas pasiektų lazerio šviesa. Toris-229 yra išimtis: dvi jo būsenos tokios artimos, kad branduolį galima sužadinti 148 nanometrų vakuuminės ultravioletinės šviesos lazeriu. Tsinghua universiteto pranešimo duomenimis, mintį tuo pasinaudoti laikrodžiui Vokietijos mokslininkai iškėlė daugiau nei prieš 20 metų.

Branduolio pranašumas yra jo dydis. TU Wien duomenimis, atomo branduolys daugiau nei 10 000 kartų mažesnis už patį atomą, todėl jį gerokai mažiau veikia elektromagnetiniai laukai ar temperatūros svyravimai. Iš principo branduolinis laikrodis gali būti tikslesnis už atominį.

Kaip veikia Vienos laikrodis?

Vienos laikrodis yra pirmasis branduolinis laikrodis, kuris pats palaiko tikslų savo lazerio dažnį. Jį sukūrė TU Wien fizikai kartu su Vokietijos nacionalinio metrologijos instituto PTB komanda, kuriai vadovauja prof. Ekkehardas Peikas.

Laikrodžio širdis yra TU Wien pagamintas milimetro dydžio kalcio fluorido kristalas su torio-229 atomais. Jis veikia kambario temperatūroje. Lazeris nuolat apšviečia kristalą, o torio branduoliai šviesą sugeria tik tada, kai dažnis tiksliai tinkamas. Lazeriui kiek nukrypus, sugertis silpnėja, ir sistema dažnį iškart grąžina atgal. Tyrėjai parodė, kad toks laikrodis be žmogaus įsikišimo išlieka stabilus ilgiau nei 24 valandas.

Per parą laikrodžio nestabilumas siekė maždaug 10⁻¹⁵. TU Wien tai iliustruoja palyginimu: toks laikrodis per 30 mln. metų suklystų maždaug viena sekunde. Matavimų metu jo dažnis buvo nuolat lyginamas su iterbio jono atominiu laikrodžiu, rašo autoriai straipsnio preprinte.

„Tai dar ne geriausių pasaulio optinių atominių laikrodžių lygis, bet pirmajam prototipui tai fantastiškas rezultatas“, - sakė T. Schummas universiteto pranešime.

Prie šio rezultato Vienos ir PTB fizikai ėjo kelerius metus. 2024 m. balandį jiems pirmą kartą pavyko lazeriu sužadinti torio branduolius, o tų pačių metų rudenį jie šį procesą susiejo su įprastu optiniu atominiu laikrodžiu. Dabar lazerio dažnį palaiko patys branduoliai, todėl įprasto atominio laikrodžio pagalba nebėra būtina.

Ką sukūrė Pekino fizikai?

Pekino Tsinghua universiteto docento Ding Šičiano (Ding Shiqian) komanda savo branduolinį laikrodį pastatė kitu keliu ir pirmiausia įveikė šviesos šaltinio kliūtį. Pasak universiteto, 2025 m. pradžioje komanda pirmoji pasaulyje sukūrė nuolatinės veikos 148 nm lazerį, kurio šviesa gaunama kadmio garuose. Iki tol torio branduolius žadino impulsiniai lazeriai.

Antroji kliūtis buvo pati medžiaga, nes torio-229 pasaulyje labai mažai. Kartu su Kinijos mokslų akademijos institutais Šanchajuje komanda užaugino milimetro dydžio kristalą ir tam panaudojo vos 1,4 mikrogramo šio izotopo. Tsinghua universiteto pranešime teigiama, kad vienam bandymui jiems prireikė maždaug 200 kartų mažiau torio nei kitai komandai, o per sekundę jų laikrodis beveik dešimt kartų stabilesnis. Tai pačių autorių palyginimas.

Dauguma pagrindinių komandos narių gimę jau po 2000 m. „Negalima iš anksto nuspręsti, kad nepavyks, vien todėl, kad visi sako, jog tai sunku. Nereikia sau iš anksto brėžti ribų“, - universiteto pranešime sakė Ding Šičianas.

Dvi komandos, du skirtingi keliai

Vienos ir Pekino fizikai dirbo nepriklausomai ir veikiantį laikrodį pasiekė tuo pačiu metu, bet skirtingais būdais. Pasak Amerikos branduolinės draugijos (ANS) naujienų tarnybos „Nuclear Newswire“, Vienos komandos kristaluose daugiau torio ir jų optinė kokybė geresnė, o Pekino komanda naudoja ypač galingą lazerį.

„Manau, tai labai padrąsina, nes rodo, kad koncepcija tvirta ir nepriklauso nuo vieno konkretaus techninio sprendimo“, - Ding Šičianą cituoja „Nuclear Newswire“.

Kuri komanda buvo pirmoji, universitetų pranešimai pasakoja skirtingai: TU Wien Pekino grupę vadina antrąja pasaulyje, o Tsinghua savo laikrodį - pirmuoju. Abu straipsniai paskelbti tą pačią dieną, o T. Schummas, „Nuclear Newswire“ duomenimis, sakė, kad komandos ir toliau bendradarbiaus ir derins savo rezultatus, siekdamos geriausio įmanomo branduolinio laikrodžio.

Kam reikės tokio tikslumo?

„Nuclear Newswire“ duomenimis, tikslesni laikrodžiai pirmiausia praverstų ten, kur šiandien dirba atominiai: palydovinėje navigacijoje, mobiliojo ryšio ir šviesolaidžių tinkluose, sinchronizuojant duomenų perdavimą, geodezijoje ir metrologijoje. Tsinghua universitetas primena ir finansų sandorius, kuriems reikia milisekundžių tikslumo laiko sinchronizacijos.

Ne mažiau svarbus ir fundamentalusis mokslas. Torio-229 branduolys ypač jautrus galimiems pagrindinių fizikos konstantų pokyčiams, todėl branduoliniai laikrodžiai gali tapti nauju fizikos dėsnių tikrinimo įrankiu. Vienos fizikai savo laikrodžiu jau ieškojo itin lengvos tamsiosios materijos pėdsakų: tikrino, ar branduolio šuolio energija nesvyruoja laiko intervaluose nuo 20 sekundžių iki paros.

Tamsiosios materijos ženklų nerasta, tačiau autorių gauti apribojimai jos sąveikai su šviesa prilygsta geriausiems atominių laikrodžių rezultatams. Sąveikos su stipriąja jėga ir kvarkais atveju jie net pranoksta ankstesnius matavimus.

Lazerių tikslumas svarbus ir Lietuvos mokslui bei pramonei: apie tai rašėme straipsnyje „Lietuvos lazeriams 60 metų: Vilniuje statomos dvi naujos lazerių gamyklos“. Daugiau naujienų rasite skiltyje Mokslas ir technologijos.

Ko dar trūksta ir kas bus toliau?

Abu laikrodžiai kol kas yra prototipai ir dar neprilygsta geriausiems optiniams atominiams laikrodžiams. T. Schummas pripažįsta, kad technologija dar toli nuo tikslo, kurio siekiama.

Vienos komanda tikslumą žada gerinti galingesniais lazeriais ir geresniais torio kristalais. Straipsnio autoriai skaičiuoja, kad ateities kietakūnių branduolinių laikrodžių stabilumas gali pagerėti keliomis eilėmis.

Pekino fizikai ketina toliau didinti tikslumą ir mažinti įrangą, kad laikrodis taptų praktiškesnis. Lygiagrečiai jie kurs ir kitą variantą, branduolinį laikrodį su jonų gaudykle. Ilgesnis Ding Šičiano tikslas yra išmokti valdyti atomo branduolį taip pat, kaip fizikai jau seniai valdo elektronus.