Wiedeń i Pekin: fizycy zbudowali pierwsze działające zegary jądrowe oparte na torze-229

Nowy mechanizm pomiaru czasu

Zegary atomowe od ponad 70 lat stanowią globalny standard czasu, śledząc ruch elektronów między stanami energetycznymi w celu koordynacji nawigacji satelitarnej i sieci telekomunikacyjnych. Dwa niezależne zespoły badawcze, jeden pod kierunkiem Politechniki Wiedeńskiej (TU Wien) oraz niemieckiego instytutu Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), a drugi z Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie, zbudowały pierwsze działające zegary jądrowe. Wyniki opublikowane 7 października 2026 r. w czasopiśmie Nature wskazują, że systemy te mierzą czas poprzez śledzenie przejść wewnątrz jądra atomowego toru-229, a nie zewnętrznych powłok elektronowych. Koncepcja ta wywodzi się z propozycji Ekkeharda Peika z PTB z 2003 r., który wskazał tor-229 jako jedyny znany izotop z przejściem jądrowym dostępnym dla światła laserowego. Ponieważ jądra atomowe są od 10 000 do 100 000 razy mniejsze od całych atomów i związane silnymi oddziaływaniami jądrowymi, pozostają odizolowane od zewnętrznych pól elektrycznych, zakłóceń magnetycznych i wahań temperatury.

Autonomiczne prototypy laserowe

Przekształcenie przejścia jądrowego w samodzielne urządzenie wymagało rozwiązania problemów ze stabilnością lasera i automatyczną korekcją częstotliwości. W kwietniu 2024 r. naukowcy z TU Wien i PTB zaobserwowali przejście toru wywołane laserem, a jesienią tego samego roku połączyli układ wzbudzający z konwencjonalnym optycznym zegarem atomowym w roli stopera. Najnowsze osiągnięcie stanowi system autonomiczny, który wykorzystuje kryształ toru-229 do samostabilizacji lasera bez udziału zewnętrznych zegarów atomowych. Wewnętrzna pętla sprzężenia zwrotnego stale monitoruje laser i koryguje odchylenia częstotliwości w skali sekundowej. Główny autor badań Thorsten Schumm wyjaśnił wyzwania inżynieryjne związane z autonomiczną pracą:

Sekretem było sprawienie, aby sprzężenie zwrotne działało w skali zaledwie kilku sekund.

Austriacki prototyp utrzymał stabilność przez ponad 24 godziny bez ingerencji człowieka. Jednocześnie chiński zespół pod kierunkiem Shiqiana Dinga wykazał, że dwa oddzielne zegary jądrowe zbudowane z różnych sieci krystalicznych wytworzyły pasujące do siebie częstotliwości rezonansowe.

Cele precyzji i wyzwania laserowe

Pierwsze prototypy osiągają poziom precyzji odpowiadający utracie jednej sekundy na 30 milionów lat, co dorównuje standardowym zegarom atomowym stosowanym w systemach nawigacji satelitarnej. Pozostają one w tyle za najlepszymi laboratoryjnymi optycznymi zegarami atomowymi, w tym zegarem lutetowym z Uniwersytetu w Singapurze, który traci sekundę na 55 miliardów lat. Główną przeszkodą techniczną pozostaje generowanie światła w próżniowym nadfiolecie, co jest procesem nieefektywnym i dostarcza stosunkowo słabą moc lasera do kryształu toru. Schumm podkreślił, że wczesne prototypy skupiają się na wykazaniu wykonalności:

To zupełnie normalne, że nowy typ zegara nie przewyższa natychmiast wszystkich istniejących technologii. To pierwszy dowód koncepcji, a istotny jest potencjał przyszłych ulepszeń.

Naukowcy przewidują, że zastosowanie mocniejszych laserów pozwoli w przyszłości zegarom jądrowym osiągnąć dokładność jednej sekundy na 550 miliardów lat, co będzie wynikiem dziesięciokrotnie lepszym od obecnych instrumentów atomowych.

Badanie fundamentalnych stałych fizycznych

Poza postępem w metrologii, zegary jądrowe stanowią platformy eksperymentalne do badania fizyki fundamentalnej i poszukiwania ciemnej materii, która stanowi około 83% materii we wszechświecie. Jeśli przechodzące cząstki ciemnej materii oddziałują z jądrem toru, mogą wywołać mierzalne zaburzenia częstotliwości w cyklu pracy zegara. Daniel de Mercado, fizyk metrolog z Hiszpańskiego Centrum Metrologii, rozwijający optyczne zegary wapniowe-40, zwrócił uwagę na szerszy zakres eksperymentalny precyzyjnych pomiarów częstotliwości:

Częstotliwości przejść atomowych i jądrowych zależą od stałych i fundamentalnych sił natury, więc niezwykle precyzyjny pomiar pozwala szukać niewielkich rozbieżności między obserwowaną wartością a tym, co przewidują nasze teorie.

Fizycy planują wykorzystać te pomiary do sprawdzenia, czy fundamentalne stałe fizyczne pozostają niezmienne w czasie, czy też dryfują pod wpływem nieznanych oddziaływań.