ساعة مضبوطة على نواة ذرية عملت 30 ساعة متواصلة
تعدّ أدق الساعات في العالم اهتزازات الإلكترونات داخل الذرات، التي تُسبر بالليزر. وهي تُستخدم مراجعَ للترددات في علم القياس وفي اختبارات الفيزياء الأساسية. ويقدّم الثوريوم-229 نوعًا مختلفًا من البندول: فلـنواته حالة مثارة، تُسمّى الأيزومر، لا تعلو حالتها الأساسية إلا بنحو 8.4 إلكترون فولت — وهي منخفضة بما يكفي ليبلغها الليزر. ويقع الضوء المطلوب في نطاق الأشعة فوق البنفسجية الفراغية، عند 148.4 نانومتر.
ووفقًا للمؤلفين، ستكون ساعة مبنية على هذا الانتقال النووي حساسة بوجه خاص للتغيّرات المحتملة في التفاعلات الأساسية، ويمكن أن تساعد في البحث عن المادة المظلمة. ويتيح غرس الثوريوم في بلّورة شفافة من فلوريد الكالسيوم عددًا هائلًا من النوى الماصّة في قطعة صلبة صغيرة: وهذا هو الطريق إلى ساعة نووية في الحالة الصلبة.
ليست الأولى، لكنها الأطول تشغيلًا هنا
تحرص الورقة على بيان ما سبق إنجازه. فمراجعها تذكر الفلورة النووية، والإثارة المباشرة بالليزر، ومطيافية مشط الترددات، وليزرات الأشعة فوق البنفسجية المستمرة، ومطيافية الامتصاص، بل وحلقات التغذية الراجعة النووية التي أعلنتها فرق أخرى. وما يضيفه هذا العمل هو ساعة تعمل مدة طويلة على بلّورة بعينها، وربط دقيق بين طيفها المقيس والتردد الذي تقدّمه الساعة فعليًا.
الامتصاص هو المفتاح. فبدلًا من انتظار اضمحلال النوى المثارة — وهي عملية بطيئة — يقيس الفريق مقدار الضوء الذي تبتلعه البلّورة. وهذا يعطي إشارة سريعة تبيّن ما إذا كان الليزر واقعًا على الخط أم بجانبه.
ثلاث مضاعفات للوصول إلى النواة
ينطلق بنغفي وانغ (Pengfei Wang) وشو-في يين (Xu-Fei Yin) ويو-آو تشن (Yu-Ao Chen) وزملاؤهم في جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية، مع شركاء من الأكاديمية الصينية للعلوم وجامعة فيينا التقنية (TU Wien)، من ليزر تحت أحمر عند 1,187 نانومتر، مُثبَّت على تجويف بصري فائق الاستقرار. وتحوّله ثلاث مضاعفات ترددية متتالية إلى 594، ثم 297، ثم 148.4 نانومتر. ثم يعبر نحو 750 بيكوواط من الضوء فوق البنفسجي قطعةً سُمكها 1.8 ملّيمتر من بلّورة مُطعَّمة بالثوريوم، مقطوعة من بلّورة تُسمّى X2. وقد قيست قطع أخرى من X2 في فيينا وفي JILA.
داخل البلّورة، يقسم المجال الكهربائي المحلي الخط النووي إلى عدة مكوّنات. وعند نوع واحد من مواقع الثوريوم، يفصل الفريق أربعة منها، إضافةً إلى رنين أعرض صادر عن نوع ثانٍ من المواقع. أما الخط الأقوى والأضيق، المسمّى b، فلا يتجاوز عرضه 83 كيلوهرتز — على تردد يبلغ نحو مليونَي مليار هرتز.
ثلاثون ساعة على خط واحد
لتشغيل الساعة، يسبر النظام جانبَي الخط b ويعدّل تردد الليزر قليلًا نحو كل 10 ثوانٍ. ويقيس مشط ترددات الخرجَ، وهو مرجعيّ إلى مايزر هيدروجيني مُعايَر مقابل ساعة ذرية من السترونشيوم.
- صمدت الحلقة 30 ساعة — 1,061,000 دورة قياس، لم يُرفض منها سوى 29.
- أوقف الفريق التشغيل والساعة لا تزال مقفلة: إذ انخفض معدل الفوتونات من 5.79 إلى 2.41 مليون في الثانية، وهو ما يعزوه المؤلفون إلى تدهور نفاذية الأشعة فوق البنفسجية بفعل انطلاق الغازات.
- التردد المقيس للخط b: 2,020,407,298,796.17 كيلوهرتز، بارتياب قدره 0.13 كيلوهرتز.
- يتحسّن استقراره مع زمن حساب المتوسط ويبلغ 1.24 × 10⁻¹³ بعد 10,000 ثانية.
- ونجح كذلك تشغيل ثانٍ مدته 6.6 ساعة على مكوّن آخر، هو الخط c.
تتوافق مواقع الخطوط المقروءة من أطياف الامتصاص مع الترددات التي تقدّمها الساعة ضمن حدود ارتيابها. وعندما أعاد الفريق تشغيل الساعة ثلاث مرات أخرى، بعد فتح الحجرة وإعادة محاذاة البصريات، توزّعت الترددات المتوسطة على نطاق 1.6 كيلوهرتز.
البلّورة نفسها، ثلاثة مختبرات
بمقارنة قطعتهم بقطع من البلّورة نفسها قيست في فيينا وفي JILA، بعد التصحيح لدرجة الحرارة، يستعيد الفريق نمط الخطوط نفسه. لكن تبقى بعض الفروق: فالخط b أعلى بـ11.6 كيلوهرتز من قيمة فيينا وبـ6.6 من قيمة JILA؛ والخط c أعلى من كلتيهما بنحو 30 كيلوهرتز. ولا يستطيع المؤلفون بعدُ أن يحددوا ما إذا كانت هذه الفروق ناتجة عن أخطاء متبقية في درجة الحرارة، أو انحيازات في الإقفال، أو اختلافات حقيقية بين العيّنات.
بعيدًا عن خط النهاية
تستحق الأرقام وضعها في سياقها، والورقة توفّر ذلك. فالمقارنة بين المايزر الهيدروجيني وساعة السترونشيوم المستخدمَين مرجعًا هي بحدّ ذاتها أكثر استقرارًا بأكثر من عشر مرات من ساعة الثوريوم على أزمنة حساب المتوسط نفسها. وميزانيات الارتياب جزئية صراحةً، ولم تُسجَّل درجة الحرارة خلال أول 14.7 ساعة من التشغيل الطويل. وتكمن قيمة هذا العمل في القدرة على الصمود وفي التحقق المتقاطع: انتقال نووي أُمسك به أكثر من يوم، وقورن بقطع من البلّورة نفسها في ثلاثة مختبرات.