Dva týmy sestrojily první funkční jaderné hodiny

Po více než dvou desetiletích úsilí sestrojily dvě nezávislé výzkumné skupiny první funkční jaderné hodiny – zařízení, která měří čas pomocí oscilací uvnitř atomového jádra namísto jeho okolních elektronů. Tyto paralelní průlomy, o nichž informovaly předtisky zveřejněné na arXiv začátkem června, znamenají přechod jaderného měření času od teoretických ambicí k fungující technologii.

Dlouho očekávaný milník

Evropský tým vedený fyzikem Thorstenem Schummem z Technické univerzity ve Vídni (TU Wien) v Rakousku a čínský tým z univerzity Tsinghua pod vedením Shiqian Dinga a prvního autora Beichena Huanga stabilizovaly vakuový ultrafialový laser na jaderný přechod 148 nanometrů v jádrech thoria-229 zabudovaných v krystalech fluoridu vápenatého. Obě skupiny implementovaly zpětnovazební smyčky, které neustále upravují frekvenci laseru tak, aby odpovídala jaderné rezonanci – krok, který odlišuje provozní hodiny od pouhé spektroskopie.arxiv+2

„Toto byl poslední chybějící krok, než to bylo možné nazvat skutečnými hodinami,“ řekl pro Science News Lars von der Wense, fyzik z Univerzity Johannese Gutenberga v Mohuči, který se na žádném z projektů nepodílel.gizmodo

Tým vedený univerzitou Tsinghua dosáhl zlomkové frekvenční nestability 2 × 10⁻¹² na odmocninu z průměrovacího času v sekundách, přičemž při delším provozu dosáhl přibližně 2 × 10⁻¹⁴. Vídeňský tým oznámil nestabilitu 3 × 10⁻¹² na odmocninu z průměrovacího času a při celodenním nepřetržitém provozu bez dozoru se přiblížil k 10⁻¹⁵. Obě zařízení fungují při pokojové teplotě nebo v její blízkosti, bez extrémního chlazení nebo vakuových systémů, které vyžadují dnešní špičkové atomové hodiny.arxiv+2

Proč na tom záleží

Atomové jádro je zhruba 10 000krát menší než elektronový obal, který ho obklopuje, díky čemuž je mnohem méně náchylné k rušení elektrickými poli, teplotními výkyvy a jiným šumem z okolního prostředí. Tato odolnost by mohla vést k hodinám s bezkonkurenční stabilitou – dostatečně kompaktním pro nasazení v terénu a zároveň dostatečně přesným pro testování, zda základní fyzikální konstanty v čase nekolísají.gizmodo

Vídeňská skupina okamžitě využila své hodiny k hledání ultralehké temné hmoty a uvedla, že zařízení již nyní překonává atomové hodiny v omezování toho, jak by temná hmota mohla interagovat se silnou jadernou silou a kvarky. Zvýšená citlivost pramení z toho, že jaderný přechod thoria-229 je tisíckrát citlivější na změny konstanty jemné struktury než elektronové přechody používané v běžných atomových hodinách.pubmed.ncbi.nlm.nih+2

Rané dny, rychlý pokrok

Oba týmy uznaly, že současná zařízení zatím nedosahují syrové přesnosti nejlepších světových optických atomových hodin, které dosahují zlomkové nejistoty pod 10⁻¹⁸. Tempo zlepšování je však rychlé. Ještě v březnu závodilo téměř tucet skupin v Číně, Evropě, Japonsku a Spojených státech o sestavení potřebných komponentů. Vlastní práce vídeňského týmu v roce 2024 poprvé lokalizovala rezonanci thoria; nyní, sotva o dva roky později, existují funkční hodiny.nature+1

„Nejvíc mě zaujalo, že systém fungoval nepřetržitě 24 hodin bez zásahu uživatele,“ řekl Ekkehard Peik z německého národního metrologického institutu PTB, spoluautor evropského článku.newscientist