Ceasurile nucleare ar putea depăși ceasurile atomice ca fiind cele mai precise ceasuri

Ceasurile nucleare ar putea fi GOAT: Cel mai mare dintre toate ceasurile.

Dacă fizicienii le pot construi, ceasurile nucleare ar fi un tip nou-nouț de ceas, unul care ar păstra timpul pe baza fizicii inimii atomilor. Cele mai precise ceasuri de astăzi, numite ceasuri atomice, se bazează pe comportamentul electronilor atomilor. Dar un ceas bazat pe nuclee atomice ar putea atinge de 10 ori precizia acelor ceasuri atomice, estimează cercetătorii.

Ceasurile mai bune ar putea îmbunătăți tehnologiile care depind de ele, cum ar fi navigația prin GPS, a declarat fizicianul Peter Thirolf pe 3 iunie în timpul unei întâlniri online a Diviziei Societății Americane de Fizică de Fizică Atomică, Moleculară și Optică. Dar „nu este vorba doar despre cronometrarea”. Spre deosebire de electronii atomilor, nucleele atomice sunt supuse forței nucleare puternice, care ține împreună protonii și neutronii. „Un ceas nuclear vede o altă parte a lumii”, a spus Thirolf, de la Ludwig-Maximilians-Universität München din Germania. Asta înseamnă că ceasurile nucleare ar putea permite noi teste de idei fundamentale în fizică, inclusiv dacă numerele presupus imuabile din fizică cunoscute sub numele de constante fundamentale sunt, de fapt, constante.

Ceasurile atomice calculează timpul folosind salturile de energie ale electronilor atomilor. Potrivit fizicii cuantice, electronii din atomi pot transporta doar anumite cantități de energie, în anumite niveluri de energie. Pentru a ridica electronii dintr-un atom de la un nivel de energie la altul, atomii unui ceas atomic trebuie loviți cu lumină laser de frecvența potrivită. Acea frecvență – rata de oscilație a undelor electromagnetice ale luminii – servește ca un cronometru extrem de precis.

La fel ca electronii dintr-un atom, protonii și neutronii din nucleele atomice ocupă, de asemenea, niveluri de energie discrete. Ceasurile nucleare s-ar baza pe salturi între acele niveluri de energie nucleară, mai degrabă decât pe cele ale electronilor. În special, nucleele sunt rezistente la efectele câmpurilor electrice sau magnetice parazite care pot împiedica ceasurile atomice. Ca rezultat, ceasurile nucleare „ar fi mai stabile și mai precise”, spune fizicianul teoretician Adriana Pálffy de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg din Germania.

Dar există o problemă. Pentru a măsura timpul cu nucleele, oamenii de știință trebuie să fie capabili să declanșeze saltul între nivelurile de energie nucleară cu un laser. „Nivelurile nucleare nu sunt în mod normal accesibile cu lasere”, a spus fizicianul teoretician Marianna Safronova de la Universitatea din Delaware într-o discuție din 2 iunie la întâlnire. Pentru majoritatea nucleelor, aceasta ar necesita lumină cu o energie mai mare decât o pot obține laserele adecvate. Din fericire, există o singură excepție în toate nucleele cunoscute, a spus Safronova, „un lucru ciudat al naturii”. O varietate de toriu numită toriu-229 are o pereche de niveluri de energie suficient de apropiate ca energie încât un laser ar putea declanșa saltul.

Măsurătorile recente au indicat mai precis energia acelui salt, un pas crucial către construirea unui ceas nuclear cu toriu. Thirolf și colegii au estimat energia prin măsurarea electronilor emiși atunci când nucleul sare între cele două niveluri, așa cum se raportează în Natură în 2019. Și într-o lucrare din 2020 în Scrisori de revizuire fizicăfizicianul Andreas Fleischmann și colegii săi au măsurat alte salturi de energie pe care le poate face nucleul de toriu, scăzându-le pentru a deduce energia saltului ceasului nuclear.

imaginea microscopică a detectorilor
O serie de detectoare extrem de sensibile (prezentate într-o imagine de microscop electronic cu scanare în culori false) au măsurat energia luminii emise atunci când atomii de toriu-229 au sărit între nivelurile de energie. Aceste măsurători le-au permis lui Andreas Fleischmann și colegilor să estimeze energia saltului pe care fizicienii intenționează să îl folosească pentru a realiza un ceas nuclear.Matthäus Krantz

Echipele sunt de acord că saltul este de puțin peste 8 electroni volți în energie. Acea energie corespunde luminii ultraviolete într-un interval pentru care este posibilă declanșarea săriturii cu un laser, dar la limita capacităților oamenilor de știință.

Acum că fizicienii cunosc dimensiunea saltului de energie, ei urmăresc să-l declanșeze cu lasere. La întâlnire, fizicianul Chuankun Zhang de la institutul de cercetare JILA din Boulder, Colorado, a raportat eforturile de a folosi un pieptene de frecvență (SN: 10/5/18) — o metodă de a crea o serie de frecvențe discrete de lumină laser — pentru a iniția saltul și a măsura energia acestuia și mai bine. „Dacă este un succes, putem construi direct un ceas optic nuclear din asta”, a spus el la întâlnire. Echipa lui Thirolf lucrează și cu piepteni de frecvență, urmărind un ceas nuclear funcțional în următorii cinci ani.

Între timp, Pálffy încearcă să folosească ceea ce se numește „punte electronică”. În loc să folosească un laser pentru a iniția direct un salt de energie de către nucleu, laserul ar excita mai întâi electronii, care apoi ar transfera energie către nucleu, a raportat Pálffy la întâlnire.

Ceasurile nucleare ar putea permite cercetătorilor să elaboreze noi teste pentru a determina dacă constantele fundamentale ale naturii variază în timp. De exemplu, unele studii au sugerat că constanta de structură fină, un număr care stabilește puterea interacțiunilor electromagnetice, s-ar putea modifica (SN: 11/2/16). „Acest ceas nuclear este un sistem perfect pentru a căuta variații ale constantelor fundamentale”, a spus Victor Flambaum de la Universitatea din New South Wales din Sydney, la întâlnire. Dispozitivele ar putea testa, de asemenea, o bază a teoriei generale a relativității a lui Einstein numită principiul echivalenței (SN: 12/4/17). Sau ar putea căuta materie întunecată, particule nedetectate evazive despre care fizicienii cred că reprezintă cea mai mare parte a materiei universului, ceea ce ar putea modifica ticăitul ceasului.

Potențialul ceasurilor nucleare este atât de promițător încât pentru Fleischmann, de la Universitatea Heidelberg din Germania, i-a luat doar o clipă să rezolve problema modului în care oamenii de știință ar putea construi un ceas nuclear, spune el. A fost „din prima secundă clar că aceasta este o întrebare la care ar trebui să lucrăm”.