Jeden zegar, cztery czasy. Fizycy w kropce

Zegar jądrowy miał mieć jedną wielką przewagę: jego wahadło jest schowane głęboko we wnętrzu atomu, więc powinno znacznie słabiej reagować na otoczenie, niż elektrony wykorzystywane przez zegary atomowe. Okazuje się jednak, że nawet jądro nie jest całkowicie odizolowane. Naukowcy zajrzeli do kryształu z torem-229 i znaleźli aż cztery różne mikroskopowe środowiska, które wpływają na jego przejścia energetyczne.

Sam pomysł nie jest już wyłącznie teorią. W czerwcu opisywaliśmy na Spider’s Web pierwszy działający zegar jądrowy oparty na torze-229. Jego zasada działania różni się od klasycznych zegarów atomowych w jednym fundamentalnym miejscu.

W zegarze atomowym punktem odniesienia są bardzo stabilne przejścia energetyczne elektronów. Zegar jądrowy schodzi poziom głębiej i wykorzystuje przejście pomiędzy stanami samego jądra atomowego. Tor-229 jest tutaj wyjątkowy, bo ma niezwykle nisko położony stan wzbudzony jądra, który można osiągnąć światłem lasera o długości fali około 148 nm. Dla fizyki jądrowej to osobliwość, bo typowe przejścia jądrowe wymagają znacznie większych energii.

Jednym z najbardziej obiecujących pomysłów jest zatopienie ogromnej liczby jąder toru-229 w niewielkim przezroczystym krysztale fluorku wapnia. Zamiast próbować utrzymywać pojedyncze atomy w skomplikowanej pułapce, dostajemy mały kawałek materiału wypełniony potencjalnymi wahadłami zegara. Tylko że kryształ nie okazał się obojętny.

Międzynarodowy zespół kierowany przez Takahiro Hirakiego z Uniwersytetu Okayama zbadał trzy kryształy fluorku wapnia zawierające różne stężenia toru-229. Naukowcy użyli bardzo wąskiego lasera pracującego w próżniowym ultrafiolecie i precyzyjnie przesuwali jego częstotliwość wokół przejścia jądrowego toru. Widmo nie pokazało jednej prostej linii. Pojawiło się wiele sygnałów różniących się intensywnością nawet o 3 rzędy wielkości.

Po ich rozłożeniu okazało się, że jądra toru zajmują w krysztale cztery różne rodzaje mikroskopowych miejsc. Innymi słowy, dwa jądra tego samego izotopu zamknięte w pozornie identycznym materiale nie muszą mieć dokładnie takiego samego najbliższego otoczenia.

A to ma ogromne znaczenie dla zegara. Atomy znajdujące się wokół toru wytwarzają lokalne pola elektryczne, które delikatnie zmieniają poziomy energetyczne jądra. Z punktu widzenia zwykłego urządzenia taka różnica byłaby absurdalnie mała. Dla zegara próbującego wykorzystać jedną ekstremalnie precyzyjną częstotliwość jest już ogromnym problemem.

Najprościej wyobrazić to sobie jak setki identycznych kamertonów. Teoretycznie każdy powinien wydawać dokładnie ten sam dźwięk. Jeżeli jednak część położymy na drewnie, część na metalu, a część mocno przykręcimy do stołu, ich zachowanie minimalnie się zmieni. Z jądrami toru dzieje się coś podobnego, tylko na zupełnie innej skali.

Dwie najczęstsze konfiguracje odpowiadały za ponad 90 proc. wykrywanego sygnału ultrafioletowego. Dzięki połączeniu spektroskopii z obliczeniami struktury materiału naukowcy ustalili, jak prawdopodobnie wyglądają.

W pierwszym przypadku tor znajduje się w miejscu zajmowanym normalnie przez wapń, bez znajdujących się bezpośrednio obok atomów kompensujących jego dodatkowy ładunek. W drugiej konfiguracji pojawia się para atomów toru zajmujących sąsiadujące miejsca wapnia. Każde takie otoczenie powoduje inny rozkład lokalnego pola elektrycznego, a w konsekwencji nieco inaczej rozszczepia poziomy energetyczne jądra.

Badacze mogli osobno wzbudzać tor znajdujący się w poszczególnych konfiguracjach i sprawdzać jego zachowanie. Stan wzbudzony utrzymywał się przez około 630 s i pod tym względem poszczególne miejsca nie różniły się wyraźnie.

Znacznie ciekawsze różnice pojawiły się przy tzw. wygaszaniu. To sytuacja, w której energia zgromadzona w stanie wzbudzonym jest tracona inną drogą, zamiast dać czysty sygnał potrzebny zegarowi. Skuteczność tego procesu mocno zależała od miejsca zajmowanego przez tor. Jeśli wiadomo, która konfiguracja przechowuje wzbudzenie dobrze, a która sprzyja jego utracie, można próbować produkować kryształy tak, aby jak najwięcej jąder trafiało do korzystnego środowiska.

Do zobaczenia tych różnic wykorzystano laserową spektroskopię Mössbauera. Klasyczna spektroskopia Mössbauera od dziesięcioleci pozwala badać niezwykle delikatne oddziaływania jąder atomowych z ich otoczeniem, ale tradycyjnie wykorzystuje promieniowanie gamma i odpowiednie radioaktywne źródła.

Tor-229 umożliwił niezwykły wariant eksperymentu. Ponieważ jego przejście jądrowe ma wyjątkowo małą energię, można pobudzać je bezpośrednio laserem ultrafioletowym. Naukowcy dostali więc coś w rodzaju mikroskopu, który nie pokazuje kształtu atomów na zdjęciu, lecz pozwala odczytać ich otoczenie z maleńkich przesunięć energii jądra. To właśnie dzięki temu zrekonstruowali cztery różne miejsca toru wewnątrz kryształu.

Nie oznacza to, że zegar jądrowy właśnie zdeklasował wszystkie istniejące urządzenia. Najlepsze współczesne zegary atomowe osiągają już precyzję, przy której błąd jednej sekundy wymagałby czasu wielokrotnie dłuższego od wieku Wszechświata. Zegary jądrowe dopiero zaczynają swoją drogę.

Ich przewagą ma być jednak przede wszystkim potencjał. Jądro jest znacznie mniejsze od całego atomu i lepiej ekranowane przed wieloma zewnętrznymi zakłóceniami. Kryształ pozwala natomiast upakować ogromną liczbę jąder w małej objętości, co otwiera drogę do stosunkowo kompaktowych urządzeń.

Przeczytaj także:

Nowe badanie pokazuje przy okazji, że samo schowanie zegara w jądrze nie rozwiązuje automatycznie wszystkich problemów. Jeśli chcemy wykorzystać jego pełny potencjał, trzeba kontrolować nawet to, którzy dokładnie sąsiedzi stoją obok pojedynczego atomu toru w krysztale. Przy tej klasie pomiarów nawet wnętrze atomu nie jest wystarczająco głęboką kryjówką przed otoczeniem.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI