(oksygen/øyeblikk/Getty Images) De mest nøyaktige klokkene som eksisterer er ikke basert på en kvartsbevegelse eller et balansehjul, men tikken av elektroner i et atomskall. De beste av disse atomklokkene er nøyaktige til en del av 1018 - så presist at de ennå ikke ville ha mistet et eneste sekund i alle milliarder av år siden universet begynte.
Det er en potensiell ny type klokke som kan forbedre denne presisjonen med en størrelsesorden, til en del av 1019. Det er basert på tikken av kjerner i en thoriumisotop, men selv om ideen ble først lansert i 2003 , det har vært vanskelig å gjennomføre.
Nå bringer en ny måling av 'tikken' av kjernen til thorium-229 oss et skritt nærmere å realisere drømmen om en kjernefysisk klokke.
'En mengde bruksområder og undersøkelser er foreslått for 229mTh-tilstanden, alt fra en kjernefysisk gammalaser, en svært nøyaktig og stabil ioneatomklokke til en kompakt kjernefysisk klokke i fast tilstand.' skrev forskerne i papiret sitt .
«Slike klokker vil tillate å oppnå et nytt presisjonsnivå for prober av fundamental fysikk, for eksempel en variasjon av fundamentale konstanter, søk etter mørk materie , eller som en gravitasjonsbølge detektor. De kan brukes i forskjellige applikasjoner, for eksempel geodesi eller satellittbasert navigasjon.'
Her er hvordan en atomklokke fungerer. Atomer av et bestemt grunnstoff som f.eksstrontiumellerytterbiumblir bestrålt med lasere. Dette eksiterer elektronene i atomskallene, og får dem til å svinge frem og tilbake mellom to energitilstander. Disse oscillasjonene produseres av overganger mellom energinivåer, som eksiteres av spesifikke bølgelengder av elektromagnetisk stråling.
En kjernefysisk klokke skal operere under samme prinsipp, bortsett fra i stedet for elektronene, selve kjernen svinger.
Men de fleste atomkjerner har høye overgangsenergier, i området kiloelektronvolt til megaelektronvolt. For å bli opphisset nok til å svinge, trenger disse kjernene en ganske betydelig mengde energi - tenk på gammastråler eller røntgenstråler i stedet for lasere - noe som gjør dem ekstremt upraktiske å bruke for tidtaking. Vi har bare ikke laserteknologi som er i stand til disse energiene.
Det bemerkelsesverdige unntaket her er thorium-229. Av de tusenvis av kjente atomkjerner er den eksiterte tilstanden til thorium-229-kjernen den desidert laveste kjente , i elektronvoltområdet. Den er så lav at den kan induseres via ultrafiolett bestråling.
Dette er gode nyheter for vår innsats mot en atomklokke, men vi er langt hjemmefra ennå. For å finne ut den nøyaktige bølgelengden til ultrafiolett lys som kreves for å eksitere kjernen, og derfor laserteknologien som kreves, må vi måle den nøyaktige endringen i energi mellom grunntilstanden og den eksiterte.
Det er gjort flere forsøk, og hvert enkelt har snevret det inn litt nærmere. Men en ny innsats ledet av fysiker Tomas Sikorsky fra Heidelberg University i Tyskland er muligens den mest presise ennå.
Teamet målte den utsendte gammastrålingen da isotopen uranium-333 forfalt til forskjellige isomerer, eller molekylære konfigurasjoner, av thorium-229, inkludert den ønskede metastabile isomeren thorium-229m. Denne teknikken har blitt brukt før, og gir resultater på 7,6 elektronvolt og 7,8 elektronvolt i 2007 og 2009 hhv.
Imidlertid brukte Sikorskys team en ny, mer presis metode for å måle gammastrålingen. De designet et kryogent magnetisk mikrokalorimeter som deres gammastrålespektrometer. Gammastråler treffer den absorberende platen og omdannes til varme. Dette omdannes så til en magnetiseringsendring i sensorene, som kan oversettes til energien til overgangen.
'Dette eksperimentet utfyller konverteringselektroneksperimentet ved at isomerenergien trekkes ut direkte fra eksperimentelle data, uten å ty til beregninger,' skrev forskerne i papiret sitt . 'Den eneste signifikante usikkerheten i eksperimentet vårt er den statistiske feilen.'
Med denne nye måleteknikken fant teamet at overgangsenergien var 8,1 elektronvolt, tilsvarende en eksitasjonsbølgelengde på 153,1 nanometer.
Dette er veldig nærme en måling gjort i fjor ved å bruke en annen teknikk, som fant energien til 8,28 elektronvolt, tilsvarende en bølgelengde på 149,7 nanometer. Så det ser ut til at vi nærmer oss, og lasere i dette bølgelengdeområdet er ikke umulige - vi trenger bare å bygge dem.
Siden, som forskerne bemerket, den eneste usikkerheten er statistisk, bør utførelse av et stort antall målinger redusere denne usikkerheten betydelig. Noe som betyr at en kjernefysisk klokke nå er mer oppnåelig enn noen gang.
Forskningen er publisert i Fysiske gjennomgangsbrev .