دانشمندان به یک نقطه عطف مهم در تلاش برای ساخت نوعی کاملاً جدید از ساعت دست یافته‌اند. پس از دهه‌ها تحقیق، تیمی در وین اولین ساعت هسته‌ای خودکار جهان را توسعه داده است؛ دستگاهی که در نهایت می‌تواند زمان را با دقت بسیار بیشتری نسبت به پیشرفته‌ترین ساعت‌های اتمی امروزی اندازه‌گیری کند.
برخلاف نمونه‌های اولیه قبلی، ساعت هسته‌ای جدید می‌تواند بدون تکیه بر یک ساعت اتمی معمولی، پایداری خود را حفظ کند. محققان نشان داده‌اند که می‌تواند بیش از ۲۴ ساعت بدون مداخله به طور پیوسته کار کند.
این دستاورد نشان‌دهنده یک پیشرفت مهم در اندازه‌گیری دقیق است که به آن مترولوژی نیز گفته می‌شود. با استفاده از هسته‌های اتمی به عنوان مراجعه‌هایی با پایداری فوق‌العاده، ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند در نهایت به دانشمندان اجازه دهند تا زمان و سایر کمیت‌های فیزیکی را با سطوح دقتی که فناوری‌های موجود قادر به آن نیستند، اندازه‌گیری کنند.
چرا توریم کلید ساعت‌های هسته‌ای است
این پیشرفت بر اساس یک ویژگی غیرعادی هسته‌های اتمی توریم است که دانشمندان دهه‌هاست آن را بررسی می‌کنند.
هسته‌های اتمی می‌توانند در حالت‌های انرژی مختلفی وجود داشته باشند، اما حرکت بین آن حالت‌ها معمولاً به مقادیر زیادی انرژی نیاز دارد. توریم یک استثنای نادر است. دو حالت انرژی هسته‌ای آن با یک شکاف انرژی غیرمعمولاً کوچک از هم جدا شده‌اند و امکان تحریک انتقال بین آن‌ها را با استفاده از نور لیزر فراهم می‌کند.
این ویژگی بسیار مهم است زیرا به محققان اجازه می‌دهد تا حالت انرژی هسته را با لیزر کنترل کنند، کاری که به همان شیوه برای اکثر هسته‌های اتمی دیگر امکان‌پذیر نیست. دانشمندان سپس می‌توانند از این انتقال بسیار دقیق به عنوان مرجعی برای اندازه‌گیری زمان استفاده کنند.
یک پیشرفت بزرگ در آوریل ۲۰۲۴ رخ داد، زمانی که محققان به رهبری پروفسور تورستن شوم در موسسه فیزیک اتمی و زیراتمی دانشگاه فنی وین، با تیمی به رهبری پروفسور اکهارد پایک در PTB براونشوایگ، انتقال هسته‌ای مورد جستجو را به صورت تجربی شناسایی کردند. آن‌ها برای اولین بار نشان دادند که پرتوهای لیزر می‌توانند هسته‌های توریم را برانگیخته کنند.
پیشرفت‌های بیشتری در پاییز ۲۰۲۴ دنبال شد. محققان دستگاه برانگیختن توریم خود را به یک ساعت اتمی نوری معمولی متصل کردند و نشان دادند که هسته‌ها می‌توانند به عنوان یک مرجع بسیار دقیق برای زمان‌سنجی عمل کنند.
اگرچه این موضوع اصل اساسی ساعت هسته‌ای را ثابت کرد، اما یک قابلیت ضروری هنوز وجود نداشت: توانایی حفظ دقت خود به طور مستقل.
دانشمندان ساعت هسته‌ای می‌سازند که خود را تثبیت می‌کند
پروفسور تورستن شوم توضیح می‌دهد: «آنچه واقعاً می‌خواهید یک ساعت هسته‌ای خود تثبیت‌کننده است.» ایده اصلی ساده است: شما یک لیزر و توریم دارید. لیزر حالت انرژی هسته‌های توریم را تغییر می‌دهد و هسته‌های توریم برای تثبیت فرکانس لیزر استفاده می‌شوند.
برای امکان‌پذیر کردن این امر، محققان سیستمی را بر اساس یک کریستال ویژه حاوی اتم‌های توریم که در دانشگاه فنی وین ساخته شده است، توسعه دادند. یک لیزر روی کریستال می‌تابد و با هسته‌های توریم داخل آن تعامل دارد.
نور لیزر با فرکانس خاصی نوسان می‌کند و یک ریتم منظم را فراهم می‌کند که می‌تواند برای اندازه‌گیری زمان استفاده شود. با این حال، حتی تغییرات کوچک در محیط اطراف می‌تواند در این ریتم اختلال ایجاد کند.
تورستن شوم توضیح می‌دهد: «نوسان این نور لیزر می‌تواند برای زمان‌سنجی استفاده شود، اما فرکانس لیزر می‌تواند کمی تغییر کند، به عنوان مثال به دلیل نوسانات دما. برای اندازه‌گیری‌های با دقت بالا، بنابراین به مکانیزمی نیاز دارید که فرکانس لیزر را دقیقاً ثابت نگه دارد تا ساعت به طور دقیق با همان ریتم به تیک ادامه دهد.
ساعت‌های اتمی سنتی این مشکل را با استفاده از انتقال‌های انرژی الکترون‌ها در اتم‌ها به عنوان یک مرجع پایدار حل می‌کنند. تیم وین اکنون نشان داده است که هسته‌های اتم‌های توریم می‌توانند همان عملکرد را انجام دهند.
این مکانیسم به این دلیل کار می‌کند که هسته‌های توریم فقط زمانی نور لیزر را جذب می‌کنند که نور دقیقاً فرکانس صحیح را داشته باشد. اگر لیزر شروع به انحراف از آن فرکانس کند، میزان نور جذب شده توسط هسته‌ها کاهش می‌یابد.
این سیستم این تغییر را تشخیص می‌دهد و به طور خودکار لیزر را تنظیم می‌کند تا آن را به فرکانس صحیح برگرداند. این بازخورد مداوم باعث می‌شود ساعت با نرخ ثابتی کار کند و نیازی به ساعت اتمی معمولی برای حفظ پایداری خود نداشته باشد.
برای اولین بار، دانشمندان یک ساعت هسته‌ای خودتنظیم‌کننده را نشان داده‌اند که می‌تواند به طور مستقل کار کند.
ساعتی با خطای تنها یک ثانیه در ۳۰ میلیون سال
مزیت بالقوه ساعت‌های هسته‌ای از ویژگی‌های فوق‌العاده هسته‌های اتمی ناشی می‌شود.
تورستن شوم می‌گوید: «مزیت بزرگ ساعت هسته‌ای جدید در وین این است که اگر به جای اتم‌ها از هسته‌های اتمی استفاده کنید، در اصل می‌توان دقت بسیار بالاتری داشت.»
هسته‌های اتمی بیش از 10000 برابر کوچکتر از اتم‌ها هستند. به دلیل اندازه بسیار کوچکشان، تحت تأثیر عوامل خارجی قرار می‌گیرند که می‌توانند اندازه‌گیری‌های دقیق را مختل کنند.
این مقاومت در برابر اختلالات محیطی، انتقال‌های انرژی هسته‌ای را به ویژه برای زمان‌سنجی فوق‌العاده دقیق امیدوارکننده می‌کند.
برای ارزیابی نمونه اولیه خود، محققان عملکرد آن را در طول یک روز اندازه‌گیری کردند. ساعت هسته‌ای به دقت نسبی حدود 10 به توان منفی 15 دست یافت که معادل خطایی در حدود یک ثانیه در 30 میلیون سال است.
این عدد دقت اندازه‌گیری شده ساعت را نشان می‌دهد تا آزمایشی واقعی که میلیون‌ها سال طول بکشد. با این حال، نشان‌دهنده دقت قابل توجهی است که محققان در حال حاضر با یک نمونه اولیه اولیه به آن دست یافته‌اند.
ساعت جدید هنوز به اندازه دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی نوری جهان که همچنان معیار زمان‌سنجی با کارایی بالا هستند، دقیق نیست.
تورستن شوم می‌گوید: «هنوز به سطح بهترین ساعت‌های اتمی نوری جهان نرسیده‌ایم، اما برای یک نمونه اولیه، نتیجه‌ای فوق‌العاده است.»
گام بعدی به سوی زمان‌سنجی دقیق‌تر
محققان معتقدند که ساعت هسته‌ای آن‌ها جای زیادی برای بهبود دارد. با استفاده از لیزرهای قدرتمندتر و توسعه کریستال‌های توریم با کیفیت بالاتر، امیدوارند دقت آن را به طور قابل توجهی افزایش دهند.
این ارتقاها می‌توانند در نهایت به ساعت‌های هسته‌ای اجازه دهند تا از ساعت‌های اتمی موجود پیشی بگیرند و استاندارد جدیدی برای اندازه‌گیری زمان ایجاد کنند.
پیامدها فراتر از ساختن یک ساعت بهتر است. زمان‌سنجی دقیق‌تر می‌تواند اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی دیگر را نیز بهبود بخشد و ابزارهای حساس‌تری را برای محققان برای بررسی ویژگی‌های اساسی طبیعت فراهم کند.
در حال حاضر، دستاورد تیم وین نشان می‌دهد که یک مفهوم علمی طولانی‌مدت می‌تواند به عنوان یک سیستم زمان‌سنجی خودکفا عمل کند. با راه‌اندازی اولین ساعت هسته‌ای خودکار جهان، دانشمندان گامی مهم به سوی آینده‌ای برداشته‌اند که در آن زمان می‌تواند با دقت بی‌سابقه‌ای اندازه‌گیری شود.
منبع: دانشگاه فنی وین