Průlom: Vědci vytvořili první prototyp jaderných hodin na světě

Před několika měsíci se podařil obrovský průlom, na který se čekalo desítky let, a vědci si již uvědomují jeho potenciál. Měření mezery mezi kvantovými energetickými stavy jádra thoria bylo použito k vytvoření prvních základních jaderných hodin.

Spojením stronciových atomových hodin s krystalem obsahujícím jádra thoria tým fyziků úspěšně demonstroval základní technologii, která nás dovede k prvním plně realizovaným a vyvinutým jaderným hodinám.

Tento milník, kterého ještě nebylo dosaženo, otevře zcela novou oblast ultrapřesného měření času. „Tímto prvním prototypem jsme dokázali: Thorium lze použít jako časomíru pro velmi přesná měření,“ vysvětluje fyzik Thorsten Strumm z Technické univerzity ve Vídni. „Zbývá už jen technický vývoj, přičemž nelze očekávat žádné další velké překážky.“

Atomové hodiny jsou hodiny, které se spoléhají na velmi přesné „tikání“ atomů při jejich přepínání mezi energetickými stavy při stimulaci laserem, což je dáno stavy elektronů, které víří kolem jádra v atomovém jádře. Toho je však mnohem obtížnější dosáhnout u samotného jádra, protože ke změně jeho energetického stavu je zapotřebí mnohem více energie než ke změně energetického stavu elektronů.

Jaderné hodiny jsou však velmi žádoucí, protože by byly mnohem stabilnější a přesnější než atomové hodiny. Jaderné hodiny by zase umožnily přesnější měření fyzikálního vesmíru, což má význam pro vše od navigace až po hledání temné hmoty. Na začátku tohoto roku bylo oznámeno měření energetického skoku, rozdílu mezi energetickými stavy jádra thoria. A to umožnilo Strummovi a jeho kolegům určit přesnou energii potřebnou k vytvoření změny energetických stavů, tedy mechanismu, na jehož základě by tikaly jaderné hodiny.

Dalším krokem bylo prokázat, že z tohoto tikání lze vytvořit hodiny, a to se Strummovi a jeho kolegům nyní podařilo. Hodiny, které předvedli, sice nejsou plnohodnotnou zkušeností s jadernými hodinami, ale jsou to první kroky tímto směrem. Stronciové hodiny v JILA v Národním institutu pro standardy a technologie jsou řízeny infračerveným světlem.

Tým vytvořil malý krystal fluoridu vápenatého obsahující jádra thoria, jejichž energetické stavy se přepínají pomocí vakuového ultrafialového světla. Aby mohli vědci spojit krystal s atomovými hodinami, museli najít způsob, jak převést infračervené světlo na ultrafialové. Toho dosáhli tak, že vytvořili frekvenční hřeben infračervených vlnových délek a prohnali jej plynem xenonem, který při interakci s infračerveným světlem vyzařuje ultrafialové vlnové délky.

Výsledkem byl kombinovaný frekvenční hřeben, který dokázal excitovat přechod jader thoria a synchronizovat jej s tikáním atomů stroncia. Výsledné tikání jader není o nic přesnější než tikání atomových hodin stroncia, ale nyní, když byla demonstrována základní koncepce, je skutečná technologie na dohled, a podle vědců velmi blízko plné realizaci.

„Představte si náramkové hodinky, které neztratí ani vteřinu, i kdybyste je nechali běžet miliardy let. Ačkoli to ještě není úplně ono, tento výzkum nás k této úrovni přesnosti přibližuje,“ říká fyzik Jun Ye z JILA. Tým provedl svůj experiment mnohokrát, pokaždé dosáhl výsledků odpovídajících atomovým hodinám. Dalším krokem bude jejich zpřesnění.

„Když jsme přechod vybuzovali poprvé, byli jsme schopni určit frekvenci s přesností na několik gigahertzů. To už bylo více než tisíckrát lepší než cokoli známého předtím. Nyní však máme přesnost v řádu kilohertzů – což je opět milionkrát lepší,“ říká Schumm.

„Tímto způsobem očekáváme, že za 2-3 roky předstihneme nejlepší atomové hodiny.“

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: tuwien.at, eurekalert.org, en.wikipedia.org