نخستین ساعت هسته‌ای خودتنظیم جهان در وین شروع به تیک‌تاک کرد

پژوهشگران دانشگاه فناوری وین پس از چند دهه تلاش علمی، نخستین ساعت هسته‌ای مستقل و خودتنظیم جهان را ساخته‌اند؛ سامانه‌ای که می‌تواند بدون اتکا به ساعت اتمی متعارف، پایداری خود را حفظ کند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این ساعت بیش از ۲۴ ساعت بدون دخالت انسان پایدار می‌ماند.

ساعت‌های اتمی از دقیق‌ترین ابزارهای اندازه‌گیری زمان هستند؛ اما پژوهشگران امیدوارند با استفاده از هسته‌ی اتم به‌جای اتم کامل، به دقت بیشتری دست پیدا کنند. ساعت هسته‌ای وین هنوز به دقت بهترین ساعت‌های اتمی نوری جهان نرسیده است، اما عملکرد نمونه‌ی اولیه نشان می‌دهد که این رویکرد قابلیت تبدیل‌شدن به فناوری تازه‌ای برای اندازه‌گیری‌های فوق‌دقیق را دارد.

ایده‌ی ساخت ساعت هسته‌ای به ویژگی خاص هسته‌های توریم برمی‌گردد. این هسته‌ها دو حالت انرژی دارند که فاصله‌ی میان آن‌ها بسیار اندک است. همین اختلاف انرژی کم به پژوهشگران امکان می‌دهد با استفاده از لیزر، هسته را به‌طور هدفمند از یک حالت به حالت دیگر منتقل کنند. در هسته‌های دیگر، فاصله‌ی انرژی میان حالت‌ها بسیار بیشتر است و نور لیزر نمی‌تواند گذار مشابهی ایجاد کند.

در آوریل ۲۰۲۴، تیمی از پژوهشگران به سرپرستی تورستن شوم در مؤسسه‌ی فیزیک اتمی و زیراتمی دانشگاه فناوری وین با همکاری گروه اکهارد پایک در مؤسسه‌ی فدرال فیزیک و فناوری براونشوایگ، موفق شدند برای نخستین‌بار گذار هسته‌ای پیش‌بینی‌شده را ثبت کنند. پژوهشگران اثبات کردند که امکان برانگیختن هسته‌های توریم با تابش پرتو لیزر وجود دارد. تیم پژوهش در پاییز همان سال نیز نشان دادند که این پدیده می‌تواند پایه‌ای برای ساخت ساعتی بسیار دقیق باشد.

در آزمایش، سامانه‌ی برانگیختن هسته‌های توریم به یک ساعت اتمی نوری متعارف متصل شد و هسته‌های توریم نقش مرجع زمان‌سنجی را بر عهده گرفتند. بااین‌حال، نمونه هنوز ساعت هسته‌ای مستقلی نبود که بتواند بدون تکیه بر ساعت اتمی، پایداری خود را حفظ کند.

تورستن شوم، سرپرست تیم پژوهشی، در تشریح هدف طرحمی‌گوید«آنچه در عمل نیاز داریم، یک ساعت هسته‌ای خودپایدار است. سازوکار کلی بسیار ساده است؛ یک لیزر و توریم در اختیار داریم. پرتو لیزر حالت انرژی هسته‌های توریم را تغییر می‌دهد و به‌طور متقابل از این هسته‌ها برای تثبیت فرکانس لیزر استفاده می‌کند.»

شوم می‌گوید: «برای اندازه‌گیری بسیار دقیق، به سازوکاری نیاز داریم که فرکانس لیزر را کاملا پایدار نگه دارد تا ساعت با همان ریتم دقیق به تیک‌تاک ادامه دهد.»

در ساعت‌های اتمی معمولی، اتم‌ها و حالت‌های انرژی الکترون‌هایشان برای تثبیت فرکانس لیزر به کار می‌روند. در ساعت هسته‌ای وین این وظیفه بر عهده‌ی هسته‌های توریم است. هسته‌های توریم فقط زمانی نور لیزر را جذب می‌کنند که فرکانس دقیقا روی مقدار مناسب قرار گرفته باشد.

اگر فرکانس از این مقدار فاصله بگیرد، میزان جذب نور کاهش می‌یابد. سامانه با تشخیص این تغییر، فرکانس لیزر را به‌طور خودکار اصلاح و پایداری ساعت را حفظ می‌کند. این سازوکار بازخوردی، امکان ساخت اولین ساعت هسته‌ای خودتنظیم را فراهم ساخت که برای حفظ پایداری خود به ساعت اتمی متعارف وابسته نیست.

به گفته‌ی شوم، استفاده از هسته‌های اتمی به‌جای اتم‌ها از نظر اصولی می‌تواند دستیابی به دقتی بسیار بالاتر را ممکن کند. هسته‌های اتمی بیش از ۱۰هزار برابر کوچک‌تر از اتم‌ها هستند و واکنش بسیار ضعیف‌تری به اختلال‌های بیرونی نشان می‌دهند. این ویژگی می‌تواند هسته‌های اتمی را به مرجعی پایدارتر برای زمان‌سنجی تبدیل کند.

دقت ساعت هسته‌ای جدید در طول یک شبانه‌روز بررسی شد و مقدار آن تقریباً ۱۰ به توان منفی ۱۵ است؛ یعنی خطایی در حدود یک ثانیه در هر ۳۰ میلیون سال. بااین‌حال، این نتیجه به معنای پیشی‌گرفتن ساعت هسته‌ای از دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی جهان نیست.

شوم عملکرد نمونه‌ی اولیه را امیدوارکننده می‌داند، اما تأکید می‌کند که دقت ساعت هنوز به سطح بهترین ساعت‌های اتمی نوری نرسیده است. گروه پژوهشی اکنون قصد دارد با استفاده از لیزرهای قوی‌تر و ساخت بلورهای توریم بهتر، دقت سامانه را افزایش دهد. اگر این تلاش‌ها موفقیت‌آمیز باشند، ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند به ابزارهایی مهم برای نسل آینده‌ی اندازه‌گیری‌های فوق‌دقیق تبدیل شوند.

گزارش یافته‌ها در مجله‌ینیچرمنتشر شده است.