Novi nuklearni sat je precizniji od atomskog

Kada ste pročitali naslov ove vijesti možda vam ništa nije bilo jasno jer ste pomislili da je izraz nuklearni sat isto što i atomski, no to nije baš tako.

Tim znanstvenika s austrijskog Tehničkog sveučilišta TU Wien, predvođen profesorom Thorstenom Schummom, objavio je veliki uspjeh. Po prvi put je atomska jezgra prebačena iz jednog stanja u drugo pomoću lasera, što pruža učinak koji se može koristiti za visoko precizna mjerenja.

Samo nekoliko tjedana kasnije to je primijenjeno u praksi jer su istraživači uspjeli kombinirati optički atomski sat visoke preciznosti s laserskim sustavom visoke energije i uspješno ga spojiti s kristalom koji sadrži atomske jezgre torija, radioaktivnog kemijskog elementa iz skupine aktinoida.

Atomske jezgre torija sada se mogu koristiti kao uređaj za mjerenje vremena, čineći sat još preciznijim, a ovo je, kako kažu, "prvi nuklearni sat na svijetu".

"Sat još uvijek ne daje veću preciznost od "običnog" atomskog sata, ali to nije bio cilj u ovom prvom koraku. "S ovim prvim prototipom dokazali smo da se torij se može koristiti kao mjerač vremena za ultra-visoka precizna mjerenja. Ostaje samo raditi na tehničkom razvoju", kaže Thorsten Schumm.

Današnji satovi visoke preciznosti koriste oscilaciju elektromagnetskih valova. Oscilacije laserske zrake se broje za mjerenje vremenskih intervala. Međutim, frekvencija lasera može se malo promijeniti tijekom vremena, pa se njegova frekvencija mora ponovno prilagoditi.

"Zato vam je, uz laser, potreban kvantni sustav koji iznimno selektivno reagira na vrlo specifičnu frekvenciju lasera", objašnjava Schumm. "To mogu biti, na primjer, atomi cezija ili stroncija. Kada ih pogodi lasersko svjetlo vrlo specifične frekvencije, elektroni tih atoma prelaze naprijed-natrag između dva kvantna stanja, a to se može izmjeriti. Ako se frekvencija lasera promijeni, više ne odgovara točno prirodnoj frekvenciji atoma i atomi se više ne pobuđuju tako učinkovito. U tom slučaju, laser se mora ponovno namjestiti. Ova tehnika omogućuje održavanje laserske frekvencije iznimno stabilnom, a to je osnovni princip atomskog sata.

Međutim, intrigantna ideja postoji već desetljećima. Kad bi se ovaj trik mogao izvesti, ne s atomom, već s atomskom jezgrom, bila bi moguća još veća preciznost. Atomske jezgre mnogo su manje od atoma i mnogo slabije reagiraju na smetnje, kao što su elektromagnetska polja izvana. Jedini problem bio je u tome što prebacivanje atomskih jezgri naprijed-natrag između dva stanja obično zahtijeva barem tisuću puta više energije nego što imaju fotoni lasera.

Jedina poznata iznimka je torij. "Jezgre torija imaju dva stanja vrlo slične energije, tako da ih možete zamijeniti laserima", kaže Thorsten Schumm. "Ali da bi ovo funkcioniralo, morate vrlo precizno znati energetsku razliku između ta dva stanja. Dugi niz godina istraživački timovi diljem svijeta tražili su točnu vrijednost ove energetske razlike kako bi mogli zamijeniti jezgre torija ciljano. Mi smo prvi uspjeli, a to je rezultat koji smo objavili u travnju."

Atomski sat u JILA-i (istraživački institut NIST-a i Sveučilišta u Boulderu, SAD) sada je uspješno spojen s atomskim jezgrama torija. Za to je bilo potrebno nekoliko fizičkih trikova: "Atomski sat radi s laserskim svjetlom u infracrvenom rasponu, koje se koristi za pobuđivanje atoma stroncija. Međutim, naše atomske jezgre torija trebaju zračenje u UV rasponu", objašnjava Schumm. "Stoga nam je potreban način da infracrvene frekvencije pretvorimo u UV frekvencije, slično mehaničkom prijenosu koji sporu rotacijsku frekvenciju pretvara u bržu rotaciju pomoću odgovarajućih zupčanika."

U tu svrhu korišteni su ultrakratki infracrveni laserski impulsi koji se sastoje od niza različitih infracrvenih frekvencija. Razmak između dvije susjedne frekvencije uvijek je isti, baš kao i razmak između susjednih zubaca češlja, zbog čega se ovaj češalj naziva i "frekvencijski češalj". Ovaj frekvencijski češalj infracrvenog svjetla pogađa plin ksenon, a atomi ksenona tada reagiraju na infracrveno svjetlo proizvodeći UV svjetlo na vrlo precizno predvidljiv način. Ova UV svjetlost se zatim šalje na maleni kristal koji sadrži jezgre torija. "Ovaj kristal je središnji element eksperimenta", kaže Schumm.

Spajanje ovih elemenata dobro je funkcioniralo, a rezultat je prvi nuklearni sat na svijetu. Ovaj prvi prototip još ne donosi povećanje preciznosti, ali to nikada nije bilo predviđeno. "Naš je cilj bio razviti novu tehnologiju. Jednom kada je tu, povećanje kvalitete dolazi prirodno, to je uvijek bio slučaj", kaže Thorsten Schumm.

Ovo je također omogućilo mjerenje energije torijevih stanja s ekstremnom preciznošću, redova veličine većom nego prije. "Kada smo prvi put pokrenuli prijelaz, bili smo u mogućnosti odrediti frekvenciju do nekoliko gigaherca. To je već bilo više od tisuću puta bolje od bilo čega što je prije bilo poznato. Sada, međutim, imamo preciznost u kilohercima, što je opet milijun puta bolje," kaže Thorsten Schumm. "Na taj način očekujemo da ćemo za 2-3 godine prestići najbolje atomske satove."

Istraživači kažu da bi nuklearni sat bi jednog dana mogao omogućiti brže i pouzdanije komunikacije, internet, GPS i druge tehnologije, no neće vam pretjerano koristiti u tome da dolazite na sastanke na vrijeme.

Studiju objavljenu u časopisu Nature možete pronaći na ovoj poveznici.