Atomové hodiny jsou nejpřesnější časoměřiče, které máme, ztrácejí jen sekundy za miliardy let. To ale zjevně není dostatečně přesné – jaderné hodiny by mohly ukrást jejich hrom, mimo jiné zrychlit GPS a internet. Nyní vědci postavili a otestovali první prototyp jaderných hodin.
Atomové hodiny udržují čas počítáním vibrací určitých atomů, které jsou extrémně pravidelné. Například cesium-133 vibruje přesně 9 192 631 770 krát za sekundu a atomové hodiny to měří, aby oficiálně určily délku sekundy. Celosvětový čas je pak synchronizován prostřednictvím sítě atomových hodin, což umožňuje vysokorychlostní internet, GPS, vesmírné starty a další technologie, které vyžadují neuvěřitelně přesné měření času.
A nyní vědci pracují na novém typu hodin, které jsou ještě přesnější. Jaderné hodiny fungují na podobném principu, až na to, že místo měření vibrací celého atomu se zaměřují pouze na jádro. To nemusí znít jako velký rozdíl, ale atom je 100 000krát větší než jeho jádro, srovnatelné s borůvkou sedící uprostřed fotbalového stadionu.
Jádro má mnohem vyšší počet „tiků“ za sekundu a rozděluje druhé na ještě menší kousky pro přesnější měření času. Jako bonus je stabilnější vůči poruchám, jako je elektromagnetismus, které mohou tato měření zkazit.
V obou případech „tikaní“ pochází z částic přepínajících se tam a zpět mezi dvěma kvantovými stavy, když jsou zasaženy laserem specifické frekvence. Problém je v tom, že jaderné hodiny by normálně vyžadovaly mnohem silnější laser než atomové hodiny – kromě thoria-229. Jádro tohoto atomu má dva kvantové stavy, které jsou na energetické úrovni mnohem blíže k sobě, takže k přeskočení mezi nimi je potřeba menší kop.
V dubnu se vědcům z JILA konečně podařilo zjistit přesnou hodnotu tohoto energetického rozdílu a poté mezi nimi poprvé aktivně přepínali jádra thoria. To vyžadovalo ultrafialový laser místo obvyklého infračerveného světla používaného pro atomové hodiny.
N. Hanáček/NIST
Nyní tým na této práci stavěl, aby předvedl všechny komponenty potřebné k vytvoření jaderných hodin. Série infračervených laserových pulsů je vystřelena na xenonový plyn, který produkuje UV světlo v předvídatelném vzoru. Toto UV světlo je pak vyzařováno na jádra thoria zavěšená v malém krystalu, aby tam excitovaly protony a neutrony. „Optický frekvenční hřeben“ počítá cykly UV vln, aby provedl ultra přesná měření času.
Vědci také porovnali UV frekvenci jaderných hodin s optickou frekvencí používanou v nejpřesnějších atomových hodinách na světě. V této fázi nejsou jaderné hodiny rychlejší než atomové hodiny, které by mohly jednoho dne nahradit, ale tým tvrdí, že to byl spíše důkaz koncepční studie.
„S tímto prvním prototypem jsme dokázali: Thorium může být použito jako časomíra pro ultra-vysoká přesnost měření,“ říká Thorsten Schumm, autor studie. „Vše, co zbývá udělat, je práce na technickém vývoji, přičemž nelze očekávat žádné další velké překážky.“
Vědci předpovídají, že jaderné hodiny by měly překonat přesnost atomových hodin za dva až tři roky a měly by být také přenosnější a stabilnější. Pokud roli převezmou, mohli bychom mít mnohem rychlejší a spolehlivější komunikaci, internet, GPS a další technologie. Mohly by dokonce pomoci vědcům prozkoumat základy fyziky a pomoci věcem, jako je hledání temné hmoty.
Výzkum byl publikován v časopise Příroda.
Zdroje: TU Wien, NIST
Čerpáme z těchto zdrojů: google.com, science.org, newatlas.com, wired.com, pixabay.com
