Austrijos ir Kinijos mokslininkai pranešė sukūrę pirmuosius branduolinius laikrodžius, galinčius laiko tėkmę matuoti pagal procesus ne elektronuose, o atomų branduoliuose. Tyrimų rezultatai publikuoti žurnale „Nature“.
Iki šiol tiksliausi prietaisai buvo atominiai laikrodžiai, kuriuose sekundės stabilumas siejamas su elektronų perėjimais tarp energijos lygių. Naujoji kryptis remiasi branduolio energijos būsenų kaita, kuri teoriškai turėtų būti atsparesnė išoriniams trikdžiams.
Kaip veikia branduolinis laikrodis?
Abiejų komandų sprendimų pagrindas yra retas izotopas toris-229, kurio branduolį galima sužadinti ultravioletine šviesa. Tai išskirtinis atvejis, nes daugumos branduolinių perėjimų energija per didelė, kad būtų patogiai valdoma lazeriais.
Eksperimentuose buvo sukurta ultravioletinė lazerio spinduliuotė 148,4 nanometro bangos ilgio ir nukreipta į kalcio fluorido kristalus su torio-229 priemaiša. Mokslininkams pavyko „užrakinti“ lazerio dažnį į branduolinį perėjimą ir taip gauti stabilų atskaitos tašką laikui.
Bandymų laikotarpiu laikrodžių stabilumas pasiekė maždaug vieną dalį iš kvadrilijono, tai yra apie 10⁻¹⁵. Praktikoje tai reiškia, kad per labai trumpus intervalus laikrodžio eiga išlieka itin pastovi, o būtent stabilumas yra svarbiausias tikslumo matas.
Kodėl tai gali pakeisti technologijas?
Tikslus laikas yra nematomas daugelio sistemų pamatas: nuo palydovinės navigacijos iki telekomunikacijų tinklų sinchronizavimo ir finansinių operacijų laiko žymų. Kuo geriau suderinti laikrodžiai, tuo tiksliau galima nustatyti padėtį ir patikimiau valdyti ryšio infrastruktūrą.
Naujos kartos branduoliniai laikrodžiai teoriškai galėtų pagerinti GPS ir kitų navigacijos sistemų skiriamąją gebą, ypač ten, kur klaidas lemia ne tik palydovų signalų sklidimas, bet ir laiko matavimo netikslumai. Vis dėlto iki realaus pritaikymo dar teks spręsti miniatiūrizavimo, patikimumo ir masinės gamybos klausimus.
Nauda fundamentinei fizikai
Dar viena sritis, kurioje tikimasi proveržio, yra fundamentinė fizika. Itin stabilūs laikrodžiai leidžia ieškoti labai menkų efektų, pavyzdžiui, ar laikui bėgant nekinta fundamentinės konstantos, taip pat tiksliau matuoti gravitacijos poveikį laikui skirtinguose aukščiuose.
Tokie eksperimentai svarbūs tikrinant teorinius modelius, kuriais bandoma paaiškinti dar neatsakytus klausimus, įskaitant tamsiosios materijos prigimtį. Dėl to branduolinių laikrodžių kūrimas vertinamas ne tik kaip inžinerinis pasiekimas, bet ir kaip naujas įrankis fizikos riboms stumti.
Nors patys autoriai pabrėžia, kad konkrečių komercinių scenarijų dar neįvardija, pasiektas rezultatas laikomas įrodymu, kad branduolinis etalonas gali veikti realiame įrenginyje. Tai atveria kelią lenktynėms dėl dar stabilesnių laiko standartų ir naujų matavimo metodų.