Přesnější než atomové hodiny: Vědci poprvé zprovoznili jaderné hodiny s thoriem-229, které změní navigaci i fyziku

Po desetiletích intenzivního výzkumu se fyzikům podařilo splnit jeden z nejlákavějších slibů moderní vědy: zprovoznit jaderné hodiny. Dva nezávislé výzkumné týmy z Číny a Evropy úspěšně demonstrovaly funkční jaderné hodiny, které využívají jádro vzácného izotopu thoria-229.

Po desetiletích intenzivního výzkumu se fyzikům podařilo splnit jeden z nejlákavějších slibů moderní vědy: zprovoznit jaderné hodiny. Dva nezávislé výzkumné týmy z Číny a Evropy úspěšně demonstrovaly funkční jaderné hodiny, které využívají jádro vzácného izotopu thoria-229. Tento izotop byl dlouho považován za ideálního kandidáta pro novou generaci časoměrných zařízení díky svým unikátním vlastnostem.

Tento úspěch představuje mnohem více než jen nový typ hodin. Vzhledem k tomu, že jádro atomu je mnohem lépe chráněno před vnějšími rušivými vlivy než elektrony, které se používají v současných atomových hodinách, mají jaderné hodiny potenciál stát se nejpřesnějšími časomírami, jaké kdy byly zkonstruovány. Tento průlom by mohl zásadně zlepšit satelitní navigaci, gravitační senzory a umožnit přesnější testování základních fyzikálních zákonů, které řídí vesmír. Vědci zdůrazňují, že tato práce rozšiřuje kvantovou metrologii z elektronových na jaderné přechody a otevírá novou platformu pro kompaktní hodiny, kvantové senzory v pevném stavu a přesné testy fundamentální fyziky.

Moderní atomové hodiny měří čas na základě frekvence světla absorbovaného nebo emitovaného, když elektrony přeskakují mezi specifickými energetickými hladinami uvnitř atomu. Tyto frekvence jsou extrémně stabilní, což umožňuje mimořádně přesné měření času. Fyzici si však dlouho představovali konstrukci hodin, které by místo elektronů využívaly jádro. Tato myšlenka je atraktivní, protože atomová jádra jsou mnohem menší a izolovanější od vnějšího světa. Bludná elektrická a magnetická pole, která mohou mírně narušovat elektrony, mají na jádro mnohem menší vliv. V principu by to mělo jaderným hodinám umožnit dosáhnout ještě větší stability a přesnosti.

Problémem však bylo, že téměř všechny jaderné energetické přechody jsou příliš energetické na to, aby je bylo možné ovládat lasery; obvykle vyžadují vysokoenergetické gama záření namísto běžného laserového světla. Thorium-229 je pozoruhodnou výjimkou. Jeho jádro má neobvykle nízkoenergetický excitovaný stav, kterého lze dosáhnout pomocí ultrafialového laserového světla. Po léta fyzici uznávali, že to činí thorium-229 jediným známým realistickým kandidátem na jaderné hodiny.

Úkol byl i tak mimořádně obtížný. Požadovaný přechod nastává při vlnové délce přibližně 148 nanometrů, hluboko ve vakuové ultrafialové oblasti elektromagnetického spektra. Produkce stabilního laserového světla na této vlnové délce a jeho přesné sladění s jaderným přechodem posunulo stávající technologii na hranici jejích možností. Obě skupiny vyřešily problém pomocí podobných strategií. Jeden tým, vedený výzkumníky z univerzity Tsinghua, a druhý z Vídeňského centra pro kvantovou vědu a technologii, vložily atomy thoria-229 do krystalů fluoridu vápenatého. Krystal slouží jako pevný hostitel, který drží velké množství jader thoria na místě a zároveň umožňuje interakci laserového světla s nimi. Obě skupiny poté osvítily krystaly vysoce specializovanými kontinuálními vakuovými ultrafialovými lasery naladěnými blízko jaderného přechodu thoria.