الضوء الذي يُبقي ساعة نووية تدق
توفّر الساعات الضوئية مراجع ترددية دقيقة لعلم القياس ولاختبارات الفيزياء الأساسية. أما نواة الثوريوم-229 فتقدّم شيئًا أغرب: لنواتها حالة مثارة منخفضة الطاقة، أعلى من الحالة الأرضية بنحو 8.4 إلكترون فولت، يمكن لليزر أن يبلغها. وستكون الساعة القائمة على نواة حساسة على نحو خاص للتغيرات المحتملة في الثوابت الأساسية للطبيعة. وإذا غُرس الثوريوم في بلّورة شفافة، فقد تصبح ساعة نووية في الحالة الصلبة.
العقبة هي اللون. فهذا الانتقال يتطلب ضوءًا بطول موجة 148.4 نانومترًا، في نطاق الأشعة فوق البنفسجية الفراغية. وقد أظهرت أعمال حديثة أن ضوءًا كهذا يمكنه إثارة النواة وتشغيل ساعات نووية. لكن لقراءة امتصاص ضعيف، يجب أن يوفّر المصدر تيارًا ثابتًا من الفوتونات لساعات، ويجب تنقية انجرافات شدته.
تضارب مصالح. بعض المؤلفين موظفون في شركة الليزر Shanghai Precilasers Technology أو مالكون لها. ولا يصرّح المؤلفون بأي تضارب آخر.
قسمة طول الموجة على اثنين ثلاث مرات
ينطلق الفريق، المكوّن من جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية ومختبر خفي الوطني ومعاهد تابعة للأكاديمية الصينية للعلوم والشركة المذكورة، من ليزر تحت أحمر مستمر بطول موجة 1,187 نانومترًا. وتقسم ثلاث مراحل متتالية من مضاعفة التردد طول موجته على اثنين: 594، ثم 297، ثم 148.4 نانومترًا.
تجري الخطوة الأخيرة في بلّورة من رباعي بورات السترونتيوم، وهي مادة شفافة في الأشعة فوق البنفسجية الفراغية قادرة على تحويل الضوء إلى ضعف تردده. وتوضع البلّورة في صندوق محكم الإغلاق، أُفرغ ثم مُلئ بنيتروجين تزيد نقاوته على 99.9999%، لأن الأكسجين يبتلع هذا الضوء. وهذه الخاصية تصلح أيضًا اختبارًا: أدخِل قليلًا من الأكسجين فتختفي إشارة الـ148.4 نانومترًا، ولا يبقى إلا ضجيج الخلفية.
بضعة نانوواطات، نقية جدًا
- عند إدخال 920 ميلي واط من ضوء الـ297 نانومترًا، يعطي المصدر ما يُقدَّر بـ8.1 نانوواط عند 148.4 نانومترًا.
- الإشارة أقوى بـ38,000 مرة من الخلفية المتبقية بعد إضافة الأكسجين.
- هذا الناتج نحو ستة أضعاف الـ1.3 نانوواط التي أفاد بها فريق سابق. لكن المؤلفين يشددون على أنه تحقق بقدرة ضخ أكبر بكثير؛ ولكل واط مربع، فإن التحويلين متقاربان، فلا يثبت أن البلّورة أكفأ.
لم تتصرف البلّورات المقطوعة من الكتلة نفسها بالطريقة نفسها. فإحداها عملت على أفضل وجه قرب 30 °C، وأخرى قرب 45 و48 °C بحسب موضع سقوط الشعاع. وكل قطعة تحتاج إلى ضبطها الخاص.
ثلاث وثلاثون ساعة، وحيلة ضد الانجراف
عمل المصدر 33.3 ساعة بينما أجرى الفريق قياسات امتصاص نووي موصوفة في ورقة مرافقة. وارتفع ناتجه ببطء من نحو 5 إلى 8 ملايين عدّة في الثانية، بينما ظل الضخ ثابتًا؛ ولا يزال سبب الانجراف غير محسوم.
وللتغلب على هذه الانجرافات، قارن الفريق كل ميلي ثانية من الإشارة بالميلي ثانية التي تسبقها مباشرة والتي تليها. وفي تشغيل منفصل مدته ثلاث ساعات، أتاح هذا المرجع المحلي للضجيج أن يتناقص بالمتوسط تقريبًا بالقدر الذي تسمح به إحصاءات الفوتونات، فبلغ استقرارًا نسبيًا قدره 3.5 × 10⁻⁵ بعد 1,000 ثانية. ويقدّم المؤلفون ذلك اختبارًا غير متصل لأخذ المتوسط، لا حدًّا مقيسًا لرصد الامتصاص بعد.
نحو مصادر أسطع
يمكن لتجويف من المرايا حول بلّورة أرقّ، على الورق، أن يرفع الناتج إلى نحو 3.4 ميكروواط — وهو إسقاط يفترض خسائر منخفضة وتشغيلًا مستقرًا. وتطعيم البلّورة أو التحكم في بنيتها الداخلية طرق أخرى. أما الآن، فالنتيجة مصدر عملي يعمل طويلًا للإصغاء إلى الامتصاص الخافت لنواة ثوريوم.