Jaderné hodiny s thoriem-229 mohou změnit měření času

Průlom v chronometrii, na němž se pracovalo desítky let, by mohl nově vymezit hranice měření času.

Fyzikové vytvořili funkční hodiny využívající atomy thoria-229. Nezaložili je na kmitání elektronů, ale na opakovaných změnách energie přímo v atomových jádrech.

Tento úspěch je o to pozoruhodnější, že jej nezávisle dosáhly dva vědecké týmy – jeden v Evropě a druhý v Číně.

Obě skupiny svou zásadní práci popsaly v preprintech na arXivu.

„Systém představený v této práci,“ píše tým vedený fyzikem Lucou Toscanim De Colem z Technické univerzity ve Vídni, „představuje první realizaci jaderných hodin fungujících jako samostatné zařízení.“

Atomové hodiny, které byly poprvé sestrojeny v 50. letech minulého století, dokážou měřit čas s takovou přesností, že by neztratily ani jedinou sekundu za miliardy let.

Jejich chod vychází z přesného „tikání“ elektronů při přechodu mezi energetickými stavy, který vyvolá laser.

Proč jsou jaderné hodiny s thoriem-229 důležité

Jaderné hodiny, navržené poprvé v roce 2003, by čas určovaly sledováním energetických změn v samotném jádře atomu. Jejich vytvoření se ukázalo jako podstatně náročnější, protože jaderné přechody zpravidla vyžadují mnohem vyšší energie než přechody elektronové, a většina laserových technologií na ně proto nedosáhne.

Vývoj technologie jaderných hodin má však velmi dobrý důvod.

Elektrony se nacházejí ve vnějších oblastech atomu, takže jsou – stejně jako atomové hodiny – citlivější na vlivy okolního prostředí.

Atomové jádro je naproti tomu bezpečně ukryto hluboko ve středu atomu a vnější rušení jej ovlivňuje mnohem méně.

Teoreticky by díky tomu mohly být jaderné hodiny ještě stabilnější než dnešní atomové hodiny. Zároveň by se mohly stát účinným nástrojem ke zkoumání jevů, jako je temná hmota, a možných změn základních přírodních konstant.

Thorium-229 je podle práce z roku 2003 pro tuto technologii mimořádně vhodným cílem, protože má výjimečně nízkoenergetický přechodový stav. Díky tomu je dostupné přesné laserové spektroskopii.

V roce 2024 dosáhli vědci v Rakousku a Německu několika průlomů: vyvolali energetický přechod v thoriu-229 a následně jej přiměli „tikat“.

Dalším krokem bylo proměnit toto tikání ve skutečné hodiny schopné měřit čas.

A právě to se oběma výzkumným týmům podařilo.

Dvě rozdílné cesty k funkčním jaderným hodinám

Oba týmy postavily své hodiny na jádrech thoria-229 uložených v krystalech fluoridu vápenatého, která zkoumaly laserovým světlem ve vzdálené ultrafialové oblasti. Jejich postupy se však poté rozdělily.

Zařízení evropského týmu fungovalo jako plně samostatné hodiny a využívalo thorové jádro k nepřetržité stabilizaci frekvence laseru.

Vědci své hodiny porovnali se zavedenými atomovými hodinami založenými na iontech ytterbia. Tím prokázali dlouhodobý provoz i stabilitu.

Hodiny rovněž použili při hledání stop hypotetické ultralehké temné hmoty a stanovili nové limity pro několik navržených modelů.

„Díky zvýšené citlivosti přechodu thoria-229 jsou tato omezení při vazbě temné hmoty na fotony srovnatelná s nejlepšími atomovými hodinami a v případě vazby na silnou interakci a kvarky překonávají předchozí měření,“ uvádějí ve svém článku.

Čínský tým vedený fyzikem Beichenem Huangem z Univerzity Tsinghua se mezitím zaměřil poněkud jiným směrem.

Testoval své hodiny ve dvou nezávisle vyrobených krystalech, aby ověřil, zda je jejich tikání shodné.

Shodná frekvence ve dvou krystalech

Hodiny v obou případech vykázaly téměř totožné frekvence, čímž řešily zásadní problém pevnolátkových jaderných hodin.

Pokud by prostředí krystalu nepředvídatelně měnilo jadernou frekvenci, každé zařízení by potřebovalo vlastní kalibraci.

Těsná shoda naopak naznačuje, že jaderné hodiny by se jednou mohly stát reprodukovatelnými standardy, nikoli jen ojedinělými laboratorními ukázkami.

„Tím, že se atomové jádro ovládané laserem stalo funkčním hodinovým etalonem,“ píše čínský tým, „rozšiřuje tato práce kvantovou metrologii z elektronových na jaderné přechody a otevírá novou platformu pro kompaktní hodiny, pevnolátkové jaderné kvantové senzory a přesné testy základní fyziky.“

Nová zařízení zatím nepřekonávají nejlepší atomové hodiny – které mají, buďme upřímní, náskok 70 let –, dokazují ale, že jaderné hodiny nejsou pouze teoretickým snem.

Mohou fungovat a skutečně fungují v reálném světě.

A pokud se potvrdí předpověď fyzika Thorstena Schumma z Technické univerzity ve Vídni z roku 2024, mohly by během několika let dokonce překonat dnešní nejlepší atomové hodiny.

Popis těchto hodin byl zveřejněn v preprintech nahraných na arXiv, zde a zde.