Nucleaire klok komt dichter bij de realiteit na fysieke doorbraak

Stel je een klok voor die zo gestaag tikt dat hij geen enkele seconde verliest, zelfs niet na een miljard jaar te hebben gelopen. Wetenschappers zijn nu dichter dan ooit bij het realiseren van dit niveau van nauwkeurigheid bij het meten van de tijd, zo blijkt uit nieuw onderzoek.

Zo'n apparaat zou de mogelijkheden van atoomklokken, die de duur van een seconde bepalen door middel van gecontroleerde energiesprongen in de elektronen van atomen, aanzienlijk overtreffen, en momenteel het toppunt van precisie zijn in het meten van tijd. In atoomklokken oscilleren de signalen die atomen exciteren met een frequentie miljarden keren per seconde.

Onderzoekers hebben onlangs een techniek ontwikkeld die deze resolutie kan verhogen door oscillaties te stimuleren en te meten in een moeilijker doelwit: de atoomkern. Voor deze nucleaire klok gebruikten wetenschappers ultraviolet licht om nucleaire deeltjes in een atoom te exciteren. Thorium-229 Het wordt gecombineerd tot een vast kristal. Vervolgens maten ze de frequentie van de energiepulsen die de kern raakten – het equivalent van een slinger in een gewone klok – door de golflengten in het ultraviolette signaal te tellen met behulp van een instrument genaamd Optische frequentiekam.

Het creëren van energiesprongen in de kern vereist een signaal met een veel hogere frequentie dan nodig is voor atoomklokken. Met een hoger aantal golfcycli per seconde zal deze aanpak naar verwachting nauwkeurigere tijdmetingen opleveren.

Hoewel de nucleaire klok nog in ontwikkeling is, zou deze, als hij eenmaal gerealiseerd is, niet alleen het meten van tijd, maar ook de studie van de natuurkunde kunnen transformeren, en zelfs van invloed kunnen zijn op de manier waarop wetenschappers de structuur van het universum onderzoeken. Het prototype is nog niet zo nauwkeurig als een atoomklok, maar toekomstige versies zullen naar verwachting nauwkeuriger en stabieler zijn, blijkt uit onderzoek dat op 4 september in het tijdschrift is gepubliceerd. natuur.

Nu de onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om deze signalen te produceren en te meten, “zijn er veel dingen die we kunnen doen om de nauwkeurigheid verder te verbeteren”, zegt co-auteur Quankun Zhang, een afgestudeerde student aan de Harvard University. Het laboratorium van Dr. Jun Yee Bij JILA – een gezamenlijk onderzoekscentrum gefinancierd door de Universiteit van Colorado Boulder en het National Institute of Standards and Technology.

Zhang vertelde bijvoorbeeld aan CNN dat aanpassingen onder meer kunnen bestaan ​​uit het aanpassen van de uitlijning en frequentie van de laser die zijn aanvallen op de kern richt.

“Dit werk vertegenwoordigt werkelijk het begin van de nucleaire klok”, zei hij Dr. Olga Kocharovskajaeen vooraanstaande professor in de natuurkunde aan de Texas A&M University die niet bij het onderzoek betrokken was.

in 2023Kucharovskaya en andere onderzoekers testten de kernen van scandium-45-atomen als potentiële kandidaten voor een nucleaire klok. Destijds produceerden die atomen de sterkste energieoverdracht – en een meetbare puls – ooit gezien in een kern, maar de nieuwe resultaten van thorium-229 genereerden een sterker signaal en waren stabieler, vertelde Kocharovskaya in een e-mail aan CNN.

Ze voegde eraan toe: “Het bredere belang ligt in het vertrouwen dat dit onderzoeksartikel biedt in de realiteit van de nucleaire klok. Het laat er geen twijfel over bestaan ​​dat een dergelijke klok haalbaar is en binnenkort zal worden gebouwd.”

Keer op keer

In atoomklokken worden de elektronen van een atoom blootgesteld aan elektromagnetische straling op specifieke frequenties. De energie-uitbarstingen prikkelen de elektronen, waardoor ze in een hogere baan rond het atoom worden geduwd. En volgens NASA.

De betrouwbaarheid van atoomklokken is veel hoger dan die van alledaagse klokken die seconden meten door de trillingen van kwartskristallen, die kwetsbaar zijn voor ontsynchronisatie. Al tientallen jaren worden atoomklokken gebruikt in Global Positioning System-technologieën, bij ruimteverkenning en bij het bijhouden van de internationale tijd.

Atoomklokken zijn echter ook kwetsbaar voor verlies van synchronisatie. Elektromagnetische storingen kunnen de aangeslagen elektronen verstoren en de nauwkeurigheid van de tijdwaarneming beïnvloeden, zei Zhang.

Aan de andere kant zijn deeltjes in de kern van een atoom moeilijker te verplaatsen dan elektronen. Protonen en neutronen worden stevig bij elkaar gehouden door de sterke kernkracht – de sterkste van alle fundamentele krachten. De onderzoekers rapporteerden dat golflengten die transmissie in de kern kunnen veroorzaken, op hogere frequenties oscilleren, waardoor nauwkeurigere tijdmetingen mogelijk zijn.

Voorafgaand aan dit onderzoek waren er verschillende belangrijke doorbraken geweest in de ontwikkeling van nucleaire klokken. De eerste, in 1976, was de ontdekking dat een thoriumkern ‘uniek lage energie’ had en met behulp van vacuüm-ultraviolet laserlicht in een aangeslagen toestand kon worden gebracht. In 2003 suggereerden wetenschappers dat, omdat thorium minder energie nodig heeft om zijn kern te prikkelen dan de meeste andere soorten atomen, de isotoop thorium-229 volgens het onderzoek een goede kandidaat zou zijn voor nucleaire klokken.

in 2023Wetenschappers waren de eersten die een manier bedachten om thorium-229 in kristallen op te nemen; Dit solid-state systeem onderdrukte de signalen die werden gegenereerd door nucleair verval, waardoor de gewenste signalen gemakkelijker te volgen waren. Eerder dit jaarAndere onderzoekers hebben de golflengte gemeten van ultraviolet licht dat nodig is om een ​​kern in thorium-229 te exciteren.

“Ons werk bouwt hierop voort”, zei Zhang. “Met behulp van onze frequentiekam-lichtbron en dit kristal konden we een nucleaire transitie en verschillende transitie-energieën opwekken.” Zhang voegde eraan toe dat hun resultaten ongeveer een miljoen keer nauwkeuriger waren dan eerdere metingen.

“Dit artikel is een echte krachttoer”, zei hij Dr. Shimon Kolkowitzuniversitair hoofddocent en voorzitter van de afdeling natuurkunde aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

“De kwaliteit van de gegevens en de snelheid waarmee ze tot de opmerkelijke resultaten in dit nieuwe manuscript kwamen, is werkelijk verbazingwekkend”, zegt Kolkowitz, die niet bij het onderzoek betrokken was. “Het vertegenwoordigt een enorme stap voorwaarts in de ontwikkeling van nucleaire klokken. waar natuurkundigen al tientallen jaren naartoe werken.”

Een revolutie in de natuurkunde

De nauwkeurigheid en stabiliteit van atoomklokken hebben wetenschappers al belangrijke hulpmiddelen gegeven voor het bestuderen van aardbevingen, zwaartekrachtvelden en… Ruimte-tijdKucharovskaya zei dat deze gebieden een “grote impuls” zouden kunnen krijgen van nucleaire klokken. Ze voegde eraan toe dat nucleaire klokken niet alleen nauwkeuriger zullen zijn, maar ook eenvoudiger en draagbaarder zullen zijn, omdat ze, in tegenstelling tot atoomklokken, geen hoge vacuümomstandigheden, extreme koeling en sterke bescherming tegen magnetische en elektrische interferentie nodig hebben.

Zhang zegt dat de studie van de natuurkunde zelf een revolutie teweeg zou kunnen brengen door naast atoomklokken ook kernklokken te gebruiken. Zhang voegde eraan toe dat het observeren en vergelijken van de frequentieverhoudingen van de twee soorten klokken in de loop van de tijd wetenschappers kan helpen erachter te komen of de fundamentele fysieke constanten werkelijk zo constant zijn als ze lijken, of dat ze veranderen op niveaus die voorheen te klein waren om te meten.

Hij voegde eraan toe dat deze dual-clock-technologie een keerpunt zou kunnen betekenen in de studie van donkere materie, de mysterieuze substantie die 80% van het universum uitmaakt, maar nog niet eerder direct is gemeten.

Sommige wetenschappers hebben gesuggereerd dat donkere materie interageert met deeltjes zoals elektronen, Quarks en gluonenMaar in momenteel niet-detecteerbare hoeveelheden.

“We willen zien of donkere materie op een iets andere manier met de atoomkern kan interageren dan de baan van het elektron in het atoom,” zei Zhang veranderen in de loop van de tijd, dat zou indicatief zijn voor nieuwe natuurkunde.”

Hoewel er nog veel vooruitgang moet worden geboekt voordat nucleaire klokken de prestaties van atoomklokken overtreffen – of vervangen – geven deze resultaten aan dat zo’n tijd niet ver weg is, zei Kolkowitz.

“Naarmate betere ultraviolette laserbronnen worden ontwikkeld en naarmate enkele van de mysteries en trucs van nucleaire klokken worden ontdekt, verwacht ik dat uiteindelijk een aantal van de soorten experimenten die we momenteel in mijn laboratorium uitvoeren om de relativiteit te testen en te zoeken naar nieuwe natuurkunde met behulp van atoomklokken, uiteindelijk zullen veranderen. worden gedaan met behulp van nucleaire klokken”, zei Kolkowitz.

Wat is de toekomst voor nucleaire klokken? Op dit punt zal alleen de tijd het leren.

Mindy Weisberger is een wetenschappelijk schrijver en mediaproducent wiens werk is verschenen in WordsSideKick.com, Scientific American en How It Works.