انقلاب تازه در زمانسنجی: دانشمندان از هسته اتم به عنوان ساعت استفاده کردند
زومیت: دانشمندان برای اولین بار موفق شدند از هسته یک اتم به عنوان پایه ساعت استفاده کنند، دستاوردی که می تواند نسل جدیدی از زمان سنج های فوق دقیق را ایجاد کند و حتی ابزار جدیدی برای آزمایش قوانین اساسی فیزیک در اختیار محققان قرار دهد.
دقیق ترین ساعت های فعلی جهان، از جمله ساعت های سزیمی و نوری، بر اساس انتقال انرژی الکترون ها عمل می کنند. به این ترتیب وقتی الکترون بین دو سطح انرژی خاص حرکت می کند، فرکانس دقیق نور لیزر روی آن قفل می شود و نوسانات این امواج نوری به عنوان «تیک» ساعت ثبت می شود.
اما در ساعت های هسته ای همین اصل به هسته اتم منتقل می شود. جایی که پروتونها و نوترونها ساختارهای انرژی متفاوتی دارند و تغییرات آنها میتواند مرجع زمانبندی بسیار پایدارتر و با نوسان کمتری را ارائه دهد. به همین دلیل، بسیاری از فیزیکدانان بر این باورند که ساعت های هسته ای در آینده ممکن است از دقت ساعت های اتمی فراتر رود.
دو گروه تحقیقاتی مستقل گزارش دادهاند که اولین نمونههای اولیه یک ساعت هستهای را ساخته و با موفقیت به کار گرفتهاند. اگرچه این فناوری هنوز در مراحل اولیه خود است، نتایج اولیه نشان می دهد که در برخی از اندازه گیری های حساس، عملکرد آنها قابل مقایسه یا حتی قابل رقابت با بهترین ساعت های اتمی است.
به گزارش ساینس نیوز، هر دو گروه از کریستال فلوراید کلسیم به عنوان بستر اصلی استفاده کرده اند. کریستالی که به مقدار کمی ایزوتوپ توریم 229 آلوده شده است، یعنی اتم های توریم به صورت کنترل شده در ساختار آن قرار می گیرند تا امکان تعامل دقیق با لیزر را فراهم کنند.
اهمیت ایزوتوپ توریم-229 در این است که در بین تمام هسته های شناخته شده، تنها ایزوتوپ است که اختلاف انرژی بین حالت های هسته ای آن به اندازه ای کوچک است که مستقیماً توسط لیزرهای آزمایشگاهی دقیق تحریک شود و این خاصیت بسیار نادر آن را به بهترین افق میهن برای ساخت ساعت هسته ای تبدیل می کند.
در سیستم ساعت هسته ای، مانند ساعت های اتمی، لیزر نقش «نوسانگر اصلی» را بازی می کند و فرکانس آن به یک انتقال انرژی خاص قفل می شود. تفاوت اصلی در اینجا این است که به جای سطوح انرژی الکترون، این قفل کردن روی انتقال انرژی در داخل هسته اتم انجام می شود. برای حفظ این حالت، یک حلقه بازخورد بسیار دقیق مورد نیاز است. یعنی دانشمندان باید به طور مداوم فرکانس لیزر را بر اساس نتایج اندازه گیری ها تنظیم کنند تا همراستایی آن با انتقال هسته ای حفظ شود. این قسمت از سیستم، یعنی اجرای کامل حلقه بازخورد پایدار، برای اولین بار در آزمایش های اخیر عملاً پیاده سازی شده است.
محققان این مرحله را نقطه عطف اصلی در تبدیل فناوری ساعت هسته ای از یک آزمایش اولیه به یک “ساعت واقعی” می دانند. زیرا بدون کنترل دائمی، تنها مشاهده انتقالات هسته ای امکان پذیر بود، نه اینکه آن را به یک مرجع دقیق زمان سنجی تبدیل کنیم.
در یکی از پروژه ها از لیزر با توان بالاتر و در پروژه دیگر مقدار بیشتری از توریم در ساختار کریستالی استفاده شد. با وجود تفاوت در شرایط طراحی و آزمایش، عملکرد کلی هر دو سیستم مشابه گزارش شده و نتایج آنها از نظر پایداری و دقت اولیه قابل مقایسه است.
یکی از انگیزه های اصلی توسعه فناوری ساعت هسته ای، جستجوی ماده تاریک است. عنصری نامرئی که بخش عمده ای از جرم کیهان را تشکیل می دهد، اما هنوز به طور مستقیم شناسایی نشده است. محققان با استفاده از این ساعت ها سعی کردند نشانه هایی از ماده تاریک فوق سبک را بیابند اما هیچ نتیجه ای مشاهده نشد. با این حال، حساسیت این ابزار در برخی سناریوها رقابتی یا حتی برتر از ساعت های اتمی موجود ارزیابی شده است.
از دیدگاه بنیادی، ساعتهای هستهای میتوانند ابزار جدیدی برای بررسی «ثابتهای بنیادی فیزیک» باشند. یعنی مقادیری که نسبت نیروهای طبیعت را تعیین می کنند، مانند نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هسته ای قوی. مقایسه دقیق بین ساعت های اتمی و هسته ای می تواند به دانشمندان کمک کند تا بررسی کنند که آیا این ثابت ها در طول زمان تغییر می کنند یا خیر. پدیده ای فرضی که در برخی نظریه ها به اثرات ماده تاریک فوق سبک نسبت داده می شود.
مزیت دیگر این فناوری مقاومت بیشتر در برابر میدان های الکترومغناطیسی مزاحم و امکان ساخت سازه های جامد و فشرده است. برخلاف بسیاری از ساعت های اتمی که به محفظه های خلاء پیچیده نیاز دارند. این ویژگی ها می تواند راه را برای ساعت های دقیق، کوچک و قابل حمل در آینده هموار کند.
ایده ساخت یک ساعت هسته ای برای اولین بار در سال 2003 مطرح شد، اما تنها در سال های اخیر پیشرفت های لازم برای نزدیک شدن به تحقق آن حاصل شده است. اکنون محققان این مرحله را آغاز رقابتی جدید برای دستیابی به دقیق ترین تایمرهای تاریخ فیزیک توصیف می کنند.
