Ερευνητές δημιούργησαν το πρώτο πυρηνικό ρολόι στον κόσμο!

Τα ατομικά ρολόγια είναι τα πιο ακριβή χρονόμετρα που διαθέτουμε, χάνοντας μόνο δευτερόλεπτα σε δισεκατομμύρια χρόνια. Αλλά προφανώς αυτό δεν είναι αρκετά ακριβές, καθώς τα πυρηνικά ρολόγια θα μπορούσαν να τους κλέψουν τη δόξα, επιταχύνοντας το GPS και το Διαδίκτυο, μεταξύ άλλων. Τώρα, οι επιστήμονες κατασκεύασαν και δοκίμασαν το πρώτο πρωτότυπο πυρηνικό ρολόι!

Τα ατομικά ρολόγια κρατούν τον χρόνο μετρώντας τις δονήσεις ορισμένων ατόμων, οι οποίες είναι εξαιρετικά τακτικές. Για παράδειγμα, το καίσιο-133 δονείται ακριβώς 9.192.631.770 φορές ανά δευτερόλεπτο και τα ατομικά ρολόγια το μετρούν αυτό για να ορίσουν επίσημα το μήκος του δευτερολέπτου. Στη συνέχεια, ο παγκόσμιος χρόνος συγχρονίζεται μέσω ενός δικτύου ατομικών ρολογιών, επιτρέποντας το γρήγορο Διαδίκτυο, το GPS, τις διαστημικές εκτοξεύσεις και άλλες τεχνολογίες που απαιτούν απίστευτα ακριβή χρονομέτρηση.

Και τώρα, οι επιστήμονες εργάζονται για έναν νέο τύπο ρολογιού που θα είναι ακόμη πιο ακριβές. Τα πυρηνικά ρολόγια λειτουργούν με παρόμοια αρχή, μόνο που αντί να μετρούν τις δονήσεις ολόκληρου του ατόμου, εστιάζουν μόνο στον πυρήνα. Αυτό μπορεί να μην ακούγεται σαν μεγάλη διαφορά, αλλά ένα άτομο είναι 100.000 φορές μεγαλύτερο από τον πυρήνα του, συγκρίσιμο με ένα βατόμουρο που βρίσκεται στη μέση ενός γηπέδου ποδοσφαίρου.

Ο πυρήνας έχει πολύ μεγαλύτερο αριθμό «τικ» ανά δευτερόλεπτο, αναλύοντας το δευτερόλεπτο σε ακόμη μικρότερα κομμάτια για ακριβέστερη χρονομέτρηση. Ως μπόνους, είναι πιο σταθερός απέναντι σε διαταραχές όπως ο ηλεκτρομαγνητισμός που μπορούν να χαλάσουν αυτές τις μετρήσεις.

Και στις δύο περιπτώσεις, το «τικ-τακ» προέρχεται από σωματίδια που εναλλάσσονται μεταξύ δύο κβαντικών καταστάσεων, όταν χτυπιούνται από ένα λέιζερ συγκεκριμένης συχνότητας. Το πρόβλημα είναι ότι ένα πυρηνικό ρολόι θα απαιτούσε κανονικά ένα πολύ ισχυρότερο λέιζερ από ό,τι στα ατομικά ρολόγια – εκτός από το θόριο-229. Ο πυρήνας αυτού του ατόμου έχει δύο κβαντικές καταστάσεις που βρίσκονται πολύ πιο κοντά μεταξύ τους σε επίπεδο ενέργειας, οπότε απαιτείται ένα μικρότερο κτύπημα για να μεταπηδήσει κανείς μεταξύ τους.

Τον περασμένο Απρίλιο, οι ερευνητές των TU Wien και JILA/NIST κατάφεραν τελικά να υπολογίσουν την ακριβή τιμή αυτής της ενεργειακής διαφοράς και στη συνέχεια άλλαξαν ενεργά τους πυρήνες θορίου μεταξύ τους για πρώτη φορά. Για να γίνει αυτό χρειάστηκε ένα υπεριώδες λέιζερ, αντί για το συνηθισμένο υπέρυθρο φως που χρησιμοποιείται για τα ατομικά ρολόγια.

Τώρα η ομάδα έχει βασιστεί σε αυτό το πόνημα για να επιδείξει όλα τα εξαρτήματα που απαιτούνται για τη δημιουργία ενός πυρηνικού ρολογιού. Μια σειρά από παλμούς υπέρυθρων λέιζερ εκτοξεύονται σε ένα αέριο ξένον, το οποίο παράγει υπεριώδες φως σε ένα προβλέψιμο μοτίβο. Αυτό το υπεριώδες φως στη συνέχεια ακτινοβολείται σε πυρήνες θορίου που αιωρούνται σε έναν μικροσκοπικό κρύσταλλο, για να διεγείρουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια εκεί μέσα. Μια «οπτική μηχανή συχνοτήτων» μετράει τους κύκλους των υπεριωδών κυμάτων για να κάνει τις εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις του χρόνου.

Οι ερευνητές συνέκριναν επίσης την υπεριώδη συχνότητα του πυρηνικού ρολογιού με την οπτική συχνότητα που χρησιμοποιείται στο ακριβέστερο ατομικό ρολόι στον κόσμο. Σε αυτό το στάδιο, το πυρηνικό ρολόι δεν είναι ταχύτερο από τα ατομικά ρολόγια που μπορεί μια μέρα να αντικαταστήσει, αλλά η ομάδα λέει ότι αυτή ήταν περισσότερο μια μελέτη απόδειξης της ιδέας.

«Με αυτό το πρώτο πρωτότυπο, αποδείξαμε ότι το θόριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως χρονομετρητής για μετρήσεις εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας», λέει ο Thorsten Schumm, συγγραφέας της μελέτης. «Το μόνο που απομένει να κάνουμε είναι εργασίες τεχνικής ανάπτυξης, χωρίς να αναμένονται άλλα σημαντικά εμπόδια».

Οι ερευνητές προβλέπουν ότι το πυρηνικό ρολόι αναμένεται να ξεπεράσει την ακρίβεια των ατομικών ρολογιών σε δύο έως τρία χρόνια, ενώ θα πρέπει επίσης να είναι πιο φορητό και σταθερό. Αν αναλάβουν τον ρόλο τους, θα μπορούσαμε να έχουμε πολύ ταχύτερες και πιο αξιόπιστες επικοινωνίες, Internet, GPS και άλλες τεχνολογίες. Θα μπορούσαν ακόμη και να βοηθήσουν τους επιστήμονες να διερευνήσουν τις βασικές αρχές της Φυσικής και να βοηθήσουν πράγματα όπως η αναζήτηση της σκοτεινής ύλης.

[via]