دانشمندان به نقطه عطف مهمی در تلاش برای ساخت نوع کاملاً جدیدی از ساعت رسیده‌اند. پس از دهه‌ها تحقیق، تیمی در وین نخستین ساعت هسته‌ای خودپایدار جهان را توسعه داده است؛ دستگاهی که در نهایت می‌تواند زمان را با دقت بسیار بیشتری نسبت به پیشرفته‌ترین ساعت‌های اتمی امروز اندازه بگیرد.
برخلاف نمونه‌های اولیه قبلی، ساعت هسته‌ای جدید می‌تواند بدون وابستگی به یک ساعت اتمی معمولی، پایداری خود را حفظ کند. پژوهشگران نشان داده‌اند که این دستگاه می‌تواند بدون مداخله، برای بیش از ۲۴ ساعت به طور ثابت کار کند.
این دستاورد پیشرفت مهمی در اندازه‌گیری دقیق، که به عنوان مترولوژی نیز شناخته می‌شود، محسوب می‌شود. با استفاده از هسته‌های اتمی به عنوان مراجع بسیار پایدار، ساعت‌های هسته‌ای در نهایت می‌توانند به دانشمندان اجازه دهند تا زمان و سایر کمیت‌های فیزیکی را با سطوحی از دقت که فناوری‌های موجود قادر به دستیابی به آن نیستند، اندازه بگیرند.
چرا توریم کلید ساعت‌های هسته‌ای است؟
این پیشرفت بر اساس ویژگی غیرعادی هسته‌های اتمی توریم استوار است که دانشمندان دهه‌هاست آن را بررسی می‌کنند.
هسته‌های اتمی می‌توانند در حالت‌های انرژی مختلف وجود داشته باشند، اما جابجایی بین این حالت‌ها معمولاً به مقادیر عظیمی انرژی نیاز دارد. توریم استثنا نادری است. دو حالت انرژی هسته‌ای آن توسط شکاف انرژی غیرعادی کوچکی از هم جدا شده‌اند که امکان ایجاد گذار بین آن‌ها را با استفاده از نور لیزر فراهم می‌کند.
این ویژگی حیاتی است زیرا به پژوهشگران اجازه می‌دهد حالت انرژی یک هسته را با لیزر کنترل کنند؛ کاری که به همین روش برای اکثر هسته‌های اتمی دیگر امکان‌پذیر نیست. دانشمندان سپس می‌توانند از این گذار بسیار دقیق به عنوان مرجعی برای اندازه‌گیری زمان استفاده کنند.
پیشرفت اصلی در آوریل ۲۰۲۴ رخ داد، زمانی که پژوهشگران به رهبری پروفسور تورستن شوم (Thorsten Schumm) در مؤسسه فیزیک اتمی و زیراتمی دانشگاه فنی وین، همراه با تیمی به رهبری پروفسور اکهارت پیک (Ekkehard Peik) در PTB براونشوایگ، گذار هسته‌ای مورد انتظار را به صورت تجربی شناسایی کردند. آن‌ها برای اولین بار نشان دادند که پرتوهای لیزر می‌توانند هسته‌های توریم را تحریک کنند.
پیشرفت‌های بیشتر در پاییز ۲۰۲۴ دنبال شد. پژوهشگران دستگاه تحریک توریم خود را به یک ساعت اتمی نوری معمولی متصل کردند و نشان دادند که هسته‌ها می‌توانند به عنوان مرجع زمان‌سنجی بسیار دقیق عمل کنند.
اگرچه این اصل پایه‌ای ساعت هسته‌ای را تثبیت کرد، اما یک قابلیت ضروری همچنان غایب بود: توانایی حفظ دقت مستقل خود.
دانشمندان ساعت هسته‌ای‌ای می‌سازند که خودش را پایدار نگه می‌دارد
«آنچه واقعاً می‌خواهید یک ساعت هسته‌ای خودپایدار است»، توضیح می‌دهد پروفسور تورستن شوم. «ایده اصلی ساده است: شما یک لیزر دارید و توریم. لیزر حالت انرژی هسته‌های توریم را تغییر می‌دهد و هسته‌های توریم برای تثبیت فرکانس لیزر استفاده می‌شوند.»
برای تحقق این امر، پژوهشگران سیستمی را توسعه دادند که حول یک بلور خاص حاوی اتم‌های توریم، تولید شده در دانشگاه فنی وین، ساخته شده است. لیزر روی بلور تابیده می‌شود و با هسته‌های توریم داخل آن تعامل می‌کند.
نور لیزر با فرکانس خاصی نوسان می‌کند و ریتم منظمی را ارائه می‌دهد که می‌توان از آن برای اندازه‌گیری زمان استفاده کرد. با این حال، حتی تغییرات جزئی در محیط اطراف می‌تواند در آن ریتم اختلال ایجاد کند.
«نوسان این نور لیزر می‌تواند برای زمان‌سنجی استفاده شود، اما فرکانس لیزر ممکن است از زمان به زمان کمی جابجا شود، مثلاً به دلیل نوسانات دما»، توضیح می‌دهد تورستن شوم. «بنابراین برای اندازه‌گیری‌های با دقت بالا، شما به مکانیزمی نیاز دارید تا فرکانس لیزر را دقیقاً پایدار نگه دارد، تا ساعت همچنان با همان ریتم دقیق تیک‌تاک کند.»
ساعت‌های اتمی سنتی این مشکل را با استفاده از گذارهای انرژی الکترون‌ها در اتم‌ها به عنوان مرجع پایدار حل می‌کنند. تیم وینی اکنون نشان داده است که هسته‌های اتم‌های توریم می‌توانند همین عملکرد را انجام دهند.
مکانیزم کار می‌کند زیرا هسته‌های توریم تنها زمانی نور لیزر را جذب می‌کنند که نور دقیقاً دارای فرکانس صحیح باشد. اگر لیزر شروع به انحراف از آن فرکانس کند، مقدار نور جذب شده توسط هسته‌ها کاهش می‌یابد.
سیستم این تغییر را تشخیص می‌دهد و به طور خودکار لیزر را تنظیم می‌کند تا آن را به فرکانس صحیح بازگرداند. این بازخورد مداوم، ساعت را در نرخ ثابتی به کار می‌اندازد، بدون اینکه برای حفظ پایداری خود به یک ساعت اتمی معمولی نیاز داشته باشد.
برای اولین بار، دانشمندان ساعت هسته‌ای خودتنظیمی را نشان داده‌اند که می‌تواند به صورت مستقل عمل کند.
ساعتی با خطای فقط یک ثانیه در ۳۰ میلیون سال
مزیت بالقوه ساعت‌های هسته‌ای از خواص فوق‌العاده هسته‌های اتمی ناشی می‌شود.
«مزیت بزرگ ساعت هسته‌ای جدید در وین این است که اگر به جای اتم‌ها از هسته‌های اتمی استفاده کنید، به طور اصولی دقت بسیار بالاتری امکان‌پذیر است»، می‌گوید تورستن شوم.
هسته‌های اتمی بیش از ۱۰,۰۰۰ برابر کوچکتر از اتم‌ها هستند. به دلیل اندازه بسیار کوچکشان، تأثیرپذیری کمتری از عوامل خارجی دارند که می‌توانند اندازه‌گیری‌های دقیق را مختل کنند.
این مقاومت در برابر اختلالات محیطی، گذارهای انرژی هسته‌ای را برای زمان‌سنجی فوق‌دقیق بسیار امیدوارکننده می‌سازد.
برای ارزیابی نمونه اولیه، پژوهشگران عملکرد آن را در طول یک روز اندازه گرفتند. ساعت هسته‌ای به دقت نسبی تقریباً ۱۰ به توان منفی ۱۵ دست یافت که معادل خطای تقریباً یک ثانیه در طول ۳۰ میلیون سال است.
این عدد دقت اندازه‌گیری شده ساعت را توصیف می‌کند نه یک آزمون واقعی که میلیون‌ها سال طول بکشد. با این حال، این عدد دقت خیره‌کننده‌ای را که پژوهشگران با یک نمونه اولیه زودهنگام به دست آورده‌اند، نشان می‌دهد.
ساعت جدید هنوز به دقت ساعت‌های اتمی نوری پیشرو جهان نیست، که همچنان معیار سنجش برای زمان‌سنجی با عملکرد بالا باقی مانده‌اند.
«این هنوز در سطح بهترین ساعت‌های اتمی نوری جهان نیست، اما برای یک نمونه اولیه، نتیجه فوق‌العاده‌ای است»، می‌گوید تورستن شوم.
گام بعدی به سوی زمان‌سنجی دقیق‌تر
پژوهشگران معتقدند ساعت هسته‌ای آن‌ها فضای قابل توجهی برای بهبود دارد. با استفاده از لیزرهای قدرتمندتر و توسعه بلورهای توریم با کیفیت بالاتر، آن‌ها امیدوارند دقت آن را به طور قابل توجهی افزایش دهند.
این ارتقاها در نهایت می‌توانند به ساعت‌های هسته‌ای اجازه دهند تا از ساعت‌های اتمی موجود بهتر عمل کنند و استاندارد جدیدی برای اندازه‌گیری زمان ایجاد نمایند.
پیامدها فراتر از صرفاً ساخت یک ساعت بهتر است. زمان‌سنجی دقیق‌تر همچنین می‌تواند اندازه‌گیری سایر کمیت‌های فیزیکی را بهبود بخشد و ابزارهای حساس‌تری را برای پژوهشگران جهت بررسی خواص بنیادی طبیعت فراهم آورد.
در حال حاضر، دستاورد تیم وینی نشان می‌دهد که یک مفهوم علمی که مدت‌ها مورد پیگیری بوده، می‌تواند به عنوان یک سیستم زمان‌سنجی خودپایدار عمل کند. با راه‌اندازی نخستین ساعت هسته‌ای خودپایدار جهان که اکنون به صورت مستقل کار می‌کند، دانشمندان گام مهمی به سوی آینده‌ای برداشته‌اند که در آن زمان با دقت بی‌سابقه‌ای اندازه‌گیری می‌شود.