Dlaczego naukowcy budują zegar jądrowy? Ponieważ zegary atomowe nie są idealne

Zadanie zbudowania zegara, który dokładnie trzyma czas, jest całkowicie odmienne od mechanizmu zegarowego. Normalne zegary pomagają nam całkiem dobrze w codziennych praktycznych potrzebach, ale badania naukowe i technologia oparta na czułych pomiarach wymagają zegarów, które są w stanie zmierzyć upływ czasu z największą precyzją. W ten sposób naukowcy wynaleźli zegary atomowe - i choć są dokładniejsze w czasie przechowywania niż konwencjonalne systemy, nadal pozostaje wiele do zrobienia. Teraz naukowcy przenoszą się ze świata atomowego do atomowego. Nowe badanie opublikowane w Natura pokazuje, że niemieccy fizycy opracowali czasomierz, który może stracić mniej niż jedną dziesiątą sekundy co 20 miliardów lat. To - w zależności od tego, jak na to patrzysz - 10 razy lepsze niż obecne technologie atomowe

Ale zanim przestaniemy używać przestarzałych zegarów atomowych, zastanówmy się, co odróżnia ich od przodków z wahadłami.

Każdy zegar wykorzystuje rezonator do śledzenia czasu. Rezonator jest mechanizmem, który ze względu na uproszczenie „tyka” regularnie. Stare zegary wykorzystywały wahadło i przekładnie jako rezonator. Cyfrowe zegary wykorzystują oscylacje na linii zasilania lub kryształu kwarcu jako rezonatora. Zegar atomowy przyjmuje ten pomysł kilka kroków do przodu, wykorzystując częstotliwości rezonansowe samych atomów jako rezonatora. W tym systemie rezonator jest regulowany przez promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez kwantowe przejście atomu. Innymi słowy, zegar atomowy śledzi czas, mierząc zmiany energetyczne w cząsteczce atomowej.

W przypadku niektórych pierwiastków i ich izotopów ma to miejsce przy stałych częstotliwościach. Na przykład cez-133 oscyluje w dokładnie 9 192 671 770 cyklach na sekundę. Dlatego został użyty do zbudowania pierwszego zegara atomowego w National Physical Laboratory w Wielkiej Brytanii w 1955 roku.

Od tego czasu szereg postępów technologicznych doprowadziło do powstania dokładniejszych zegarów atomowych - w tym chłodzenia laserowego i pułapkowania atomów, bardziej precyzyjnej spektroskopii laserowej i wyodrębniania innych elementów izotopowych, które wykazują jeszcze bardziej stałe częstotliwości rezonansowe. Obecny rekordzista dla najdokładniejszych zegarów atomowych opiera się na odczytach jonów iterbu.

Powodem, dla którego zegary atomowe są tak krytyczne, jest fakt, że zegary odmierzają czas inaczej na różnych wysokościach. Im dalej zegar znajduje się od głównego źródła grawitacji, tym szybciej mija czas (tj. Zegar będzie biegał szybciej na Mount Everest niż na poziomie morza). Różnica wydaje się znikoma, ale może się zsumować wraz z upływem czasu.

Tak wiele naszych technologii działa obecnie jako aplikacje globalne, takie jak GPS. Aby upewnić się, że działają w tym samym czasie, niezależnie od tego, gdzie ktoś jest, muszą być bezpośrednio związani z dokładnym zegarem. Nie ma lepszego sposobu na zapewnienie tego, niż użycie zegarów atomowych jako standardu. W najnowszym badaniu niemiecki zespół badawczy przedstawia pomysł bezpośredniego pomiaru oscylacji samego jądra atomowego (w przeciwieństwie do elektronów otaczających jądro). Zegar atomowy oparty na tym projekcie mógłby uniknąć wpływu sił zewnętrznych. Zespół badawczy identyfikuje stan wzbudzenia w izotopie toru, Th-229m, który może działać - i ilustruje wyniki eksperymentalne, które potwierdzają ten pogląd.

Jest tylko jeden problem: 229 m nie występuje naturalnie. Mimo że wyniki nowego badania są imponujące, nie jest jasne, w jaki sposób naukowcy mogą zebrać wystarczającą ilość Th-229m, aby zbudować i utrzymać zegar jądrowy. Naukowcy uzyskali w tym przypadku Th-229 m, używając uranu-233 jako źródła. To nie jest łatwy proces.

Jeśli naukowcy dowiedzą się, jak rozwiązać ten niewielki problem i wygenerować trwałą ilość Th-229m, przyglądamy się nowej generacji zegarów atomowych, które niewątpliwie odegrają główną rolę, ponieważ budujemy coraz więcej technologii obejmujących cały świat i służy ludziom w każdym zakątku świata.