ساعتی تنظیم‌شده بر یک هستهٔ اتم ۳۰ ساعت کار کرد
دقیق‌ترین ساعت‌های جهان نوسان‌های الکترون‌ها درون اتم‌ها را می‌شمارند که با لیزر کاویده می‌شوند. آن‌ها مرجع بسامد برای اندازه‌شناسی و آزمون‌های فیزیک بنیادی‌اند. توریم-۲۲۹ آونگی از نوعی دیگر عرضه می‌کند: هستهٔ آن یک حالت برانگیخته، به نام ایزومر، دارد که تنها حدود ۸٫۴ الکترون‌ولت بالاتر از حالت پایه است — آن‌قدر پایین که لیزر بتواند به آن برسد. نور لازم در فرابنفش خلأ، در ۱۴۸٫۴ نانومتر قرار دارد.
به گفتهٔ نویسندگان، ساعتی ساخته‌شده بر پایهٔ این گذار هسته‌ای به تغییرات احتمالی برهم‌کنش‌های بنیادی به‌ویژه حساس خواهد بود و می‌تواند به جست‌وجوی مادهٔ تاریک کمک کند. جای دادن توریم در بلوری شفاف از کلسیم فلوئورید، شمار عظیمی از هسته‌های جاذب را در قطعهٔ جامد کوچکی فراهم می‌کند: راهی به سوی ساعت هسته‌ای حالت جامد.
نه نخستین، اما در این‌جا طولانی‌ترین
مقاله در مورد آنچه پیش‌تر انجام شده دقیق است. منابع آن فلوئورسانس هسته‌ای، برانگیزش مستقیم لیزری، طیف‌سنجی شانه‌ای، لیزرهای فرابنفش پیوسته، طیف‌سنجی جذبی و حتی حلقه‌های بازخورد هسته‌ای را که گروه‌های دیگر گزارش کرده‌اند برمی‌شمارد. آنچه این کار می‌افزاید ساعتی است که مدت طولانی روی یک بلور معین کار می‌کند، و پیوندی دقیق میان طیف اندازه‌گیری‌شدهٔ آن و بسامدی که ساعت در واقع تحویل می‌دهد.
کلید، جذب است. گروه به جای انتظار برای واپاشی هسته‌های برانگیخته — فرایندی کند — اندازه می‌گیرد که بلور چه مقدار نور را می‌بلعد. این سیگنالی سریع می‌دهد که نشان می‌دهد لیزر روی خط است یا کنار آن.
سه بار دوبرابر کردن برای رسیدن به هسته
پنگ‌فی وانگ، شو-فی یین، یو-آئو چن و همکارانشان در دانشگاه علم و فناوری چین، همراه با همکارانی در آکادمی علوم چین و TU Wien در وین، از یک لیزر فروسرخ در ۱٬۱۸۷ نانومتر آغاز می‌کنند که روی یک کاواک نوری فوق‌پایدار تثبیت شده است. سه دوبرابرسازی پیاپی بسامد آن را به ۵۹۴، سپس ۲۹۷ و سپس ۱۴۸٫۴ نانومتر تبدیل می‌کند. حدود ۷۵۰ پیکووات نور فرابنفش سپس از قطعه‌ای از بلور آلاییده به توریم به ضخامت ۱٫۸ میلی‌متر می‌گذرد که از بلوری به نام X2 بریده شده است. قطعه‌های دیگری از X2 در وین و در JILA اندازه‌گیری شده‌اند.
درون بلور، میدان الکتریکی محلی خط هسته‌ای را به چند مؤلفه می‌شکافد. در یک نوع جایگاه توریم، گروه چهار مؤلفه را تفکیک می‌کند، به‌اضافهٔ تشدیدی پهن‌تر از نوع دوم جایگاه. قوی‌ترین و باریک‌ترین خط، به نام b، تنها ۸۳ کیلوهرتز پهنا دارد — روی بسامدی حدود دو میلیون میلیارد هرتز.
سی ساعت روی یک خط
برای به کار انداختن ساعت، سامانه هر دو دامنهٔ خط b را می‌کاود و بسامد لیزر را حدود هر ۱۰ ثانیه اندکی جابه‌جا می‌کند. یک شانهٔ بسامدی، با مرجعِ یک میزر هیدروژنی که در برابر یک ساعت اتمی استرانسیوم کالیبره شده، خروجی را اندازه می‌گیرد.
- حلقه ۳۰ ساعت دوام آورد — ۱٬۰۶۱٬۰۰۰ چرخهٔ اندازه‌گیری، که تنها ۲۹ مورد از آن‌ها رد شدند.
- گروه اجرا را در حالی که ساعت هنوز قفل بود متوقف کرد: نرخ فوتون از ۵٫۷۹ به ۲٫۴۱ میلیون در ثانیه افت کرده بود، که نویسندگان آن را به گاززدایی‌ای نسبت می‌دهند که عبور نور فرابنفش را کاهش داده بود.
- بسامد اندازه‌گیری‌شدهٔ خط b: ۲٬۰۲۰٬۴۰۷٬۲۹۸٬۷۹۶٫۱۷ کیلوهرتز، با عدم قطعیت ۰٫۱۳ کیلوهرتز.
- پایداری آن با زمان میانگین‌گیری بهبود می‌یابد و پس از ۱۰٬۰۰۰ ثانیه به ۱٫۲۴ × ۱۰⁻¹³ می‌رسد.
- اجرای دومی به مدت ۶٫۶ ساعت روی مؤلفهٔ دیگری، خط c، نیز موفق بود.
موقعیت خطوط خوانده‌شده از طیف‌های جذبی و بسامدهایی که ساعت تحویل می‌دهد در محدودهٔ عدم قطعیت‌هایشان با هم توافق دارند. وقتی گروه ساعت را سه بار دیگر، پس از باز کردن محفظه و همراستاسازی دوبارهٔ اپتیک، راه‌اندازی کرد، بسامدهای میانگین در گستره‌ای ۱٫۶ کیلوهرتزی پراکنده شدند.
یک بلور، سه آزمایشگاه
گروه با مقایسهٔ قطعهٔ خود با قطعه‌هایی از همان بلور که در وین و در JILA اندازه‌گیری شده‌اند، پس از تصحیح دما، همان الگوی خطوط را به دست می‌آورد. برخی جابه‌جایی‌ها باقی می‌ماند: خط b ۱۱٫۶ کیلوهرتز بالاتر از مقدار وین و ۶٫۶ کیلوهرتز بالاتر از مقدار JILA است؛ خط c حدود ۳۰ کیلوهرتز بالاتر از هر دو. نویسندگان هنوز نمی‌توانند بگویند این‌ها از خطاهای باقی‌ماندهٔ دما، سوگیری‌های قفل‌کردن یا تفاوت‌های واقعی میان نمونه‌ها ناشی می‌شوند.
هنوز دور از خط پایان
اعداد نیاز به زمینه دارند، و مقاله آن را فراهم می‌کند. مقایسهٔ میان میزر هیدروژنی و ساعت استرانسیومی که به‌عنوان مرجع به کار رفته، خود در همان زمان‌های میانگین‌گیری بیش از ده برابر پایدارتر از ساعت توریم است. بودجه‌های عدم قطعیت صراحتاً ناقص‌اند، و در ۱۴٫۷ ساعت نخست اجرای طولانی دما ثبت نشد. ارزش این کار در استقامت و وارسی متقابل است: یک گذار هسته‌ای که بیش از یک روز نگه داشته شده و با قطعه‌هایی از همان بلور در سه آزمایشگاه مقایسه شده است.