Το πυρηνικό ρολόι της Κίνας υπερέχει σε σταθερότητα έναντι εκείνου της Βιέννης - Οι δύο ομάδες βελτιώνουν τη μέτρηση του χρόνου με θόριο-229
Το πειραματικό πυρηνικό ρολόι της Κίνας αναδείχθηκε ως το πιο σταθερό από τα δύο πρώτα λειτουργικά συστήματα στον κόσμο. Ερευνητές του Πανεπιστημίου Tsinghua διαπίστωσαν ότι το ρολόι τους λειτουργούσε περίπου έξι φορές πιο σταθερά από ένα ανταγωνιστικό σύστημα στη Βιέννη.
Και οι δύο ομάδες κατασκεύασαν τα ρολόγια τους γύρω από πυρήνες θορίου-229 παγιδευμένους μέσα σε κρυστάλλους. Η προσέγγιση μεταφέρει τον μηχανισμό μέτρησης του χρόνου από τα ηλεκτρόνια στον ατομικό πυρήνα.
Τα αποτελέσματα αποτελούν ακόμη ένα βήμα προς μια νέα κατηγορία μέτρησης χρόνου υψηλής ακρίβειας. Τα πυρηνικά ρολόγια θα μπορούσαν επίσης να προσφέρουν στους φυσικούς έναν νέο τρόπο για να ελέγξουν θεμελιώδεις νόμους της φύσης.
Η κινεζική ομάδα έδειξε ισχυρή σταθερότητα
Η ομάδα του Tsinghua διαπίστωσε ότι κρύσταλλοι που παρασκευάστηκαν ξεχωριστά παρήγαγαν σχεδόν πανομοιότυπα σήματα ρολογιού. Οι μετρήσεις τους συμφωνούσαν με ακρίβεια περίπου τριών μερών στα 10 τρισεκατομμύρια.
Το εύρημα υποδηλώνει ότι το σήμα δεν εξαρτάται από έναν μοναδικό κρύσταλλο. Το αποτέλεσμα συμφωνούσε επίσης με προηγούμενες μετρήσεις ερευνητών στο JILA του Κολοράντο.
Ο Ding Shiqian, ο οποίος ηγήθηκε της εργασίας του Tsinghua, δήλωσε ότι το αποτέλεσμα ενισχύει την υπόθεση για αναπαραγώγιμα πυρηνικά ρολόγια. Οι ερευνητές θα μπορούσαν τελικά να μετατρέψουν την τεχνολογία σε ένα πρακτικό πρότυπο μέτρησης του χρόνου.
Το ρολόι εξακολουθεί να υπολείπεται της σταθερότητας που επιτυγχάνουν τα καλύτερα ατομικά ρολόγια.
Τα ατομικά ρολόγια καθορίζουν τη μέτρηση του χρόνου υψηλής ακρίβειας εδώ και περισσότερα από 70 χρόνια. Επίσης, παρακολουθούν τις μεταβολές στις ενεργειακές καταστάσεις των ηλεκτρονίων. Τα πυρηνικά ρολόγια, αντίθετα, παρακολουθούν μια μετάπτωση στο εσωτερικό του ατομικού πυρήνα.
Η διαφορά αυτή θα μπορούσε να αποδειχθεί σημαντική, επειδή τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν πολύ μεγαλύτερες περιοχές γύρω από ένα άτομο. Ο πυρήνας παραμένει πολύ μικρότερος και πιο ισχυρά δεσμευμένος.
Το θόριο-229 καθιστά δυνατή την πυρηνική μέτρηση του χρόνου
Το θόριο-229 προσφέρει ένα σπάνιο πλεονέκτημα για την πυρηνική μέτρηση του χρόνου. Ο πυρήνας του μπορεί να ανταποκριθεί σε υπεριώδες φως σε ενέργεια που μπορούν να φτάσουν τα σημερινά λέιζερ.
Οι περισσότεροι ατομικοί πυρήνες απαιτούν πολύ περισσότερη ενέργεια για συγκρίσιμες μεταπτώσεις. Οι επιστήμονες κατάφεραν μόλις το 2024 να διεγείρουν το θόριο-229 με λέιζερ.
Το σύστημα του Tsinghua παράγει υπεριώδες φως χρησιμοποιώντας ατμούς καδμίου που θερμαίνονται στους 1.112 βαθμούς Φαρενάιτ. Οι ερευνητές κατευθύνουν το φως σε έναν μικροσκοπικό κρύσταλλο εμπλουτισμένο με θόριο.
Ο κρύσταλλος έχει μέγεθος μικρότερο από έναν κόκκο ρυζιού. Ωστόσο, περιέχει περίπου ένα τετράκις εκατομμύριο πυρήνες θορίου. Η συσκευή του πυρηνικού ρολογιού της Βιέννης χρησιμοποιεί έναν κρύσταλλο που περιέχει περίπου 200 φορές περισσότερους πυρήνες θορίου. Οι ερευνητές συγκρίνουν το σήμα του με ένα ατομικό ρολόι μέσω 6 μιλίων οπτικής ίνας.
Οι ερευνητές στη Βιέννη διαπίστωσαν ότι το σήμα του ρολογιού μεταβαλλόταν ελαφρώς ανάλογα με το σημείο από το οποίο περνούσε το λέιζερ μέσα από τον κρύσταλλο. Η διακύμανση είχε ως αποτέλεσμα η συσκευή να μετρά ελαφρώς διαφορετικό χρόνο κάθε ημέρα. Η βελτίωση του κρυστάλλου θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να περιορίσουν το πρόβλημα.
Τα πυρηνικά ρολόγια θα μπορούσαν να διερευνήσουν τη φυσική
Η μικρότερη κλίμακα του πυρήνα θα μπορούσε να μειώσει τις παρεμβολές από εξωτερικά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Οι μικρότερες παρεμβολές θα μπορούσαν τελικά να βοηθήσουν τα πυρηνικά ρολόγια να επιτύχουν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια.
Τα πυρηνικά ρολόγια θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν τους ερευνητές να διερευνήσουν τη σκοτεινή ύλη. Οι φυσικοί μπορούν να συγκρίνουν πυρηνικά και ατομικά ρολόγια για να εντοπίσουν ανεπαίσθητες μεταβολές σε θεμελιώδεις φυσικές σταθερές.
Οι ερευνητές στη Βιέννη χρησιμοποίησαν ήδη το ρολόι τους σε αναζήτηση σκοτεινής ύλης. Το πείραμα δεν παρείχε ενδείξεις για σκοτεινή ύλη. Οι ερευνητές εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις σε επίπεδο υλικών και μηχανικής. Το θόριο-229 παραμένει εξαιρετικά σπάνιο, περιορίζοντας τα πειράματα με νέα σχέδια κρυστάλλων.
Καλύτεροι κρύσταλλοι θα μπορούσαν να κατανέμουν το θόριο πιο ομοιόμορφα και να μειώσουν τις εσωτερικές ατέλειες. Ισχυρότερα λέιζερ θα μπορούσαν επίσης να βελτιώσουν την απόδοση του ρολογιού.
Τα ατομικά ρολόγια υποστηρίζουν σήμερα συστήματα που εξαρτώνται από εξαιρετικά ακριβή μέτρηση του χρόνου, συμπεριλαμβανομένης της δορυφορικής πλοήγησης. Τα πυρηνικά ρολόγια θα χρειάζονταν σημαντικές βελτιώσεις προτού μπορέσουν να ανταγωνιστούν αυτά τα καθιερωμένα συστήματα.
Οι ερευνητές θέλουν τελικά τα πυρηνικά ρολόγια να βγουν από τα εξειδικευμένα εργαστήρια. Συμπαγείς σχεδιασμοί θα μπορούσαν να καταστήσουν την εξαιρετικά ακριβή μέτρηση του χρόνου διαθέσιμη σε ένα πολύ ευρύτερο φάσμα εφαρμογών.
(Η μελέτη δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature)
www.worldenergynews.gr
