परमाणु-नाभिक पर साधी गई एक घड़ी 30 घंटे चली

दुनिया की सबसे सटीक घड़ियाँ लेज़रों से जाँचे गए परमाणुओं के भीतर इलेक्ट्रॉनों के दोलन गिनती हैं। वे मापिकी (metrology) और मूलभूत भौतिकी के परीक्षणों के लिए आवृत्ति-संदर्भ का काम करती हैं। थोरियम-229 एक अलग तरह का लोलक पेश करता है: उसके नाभिक की एक उत्तेजित अवस्था है, जिसे आइसोमर कहते हैं, जो उसकी मूल अवस्था से केवल लगभग 8.4 इलेक्ट्रॉनवोल्ट ऊपर है — इतनी कम कि लेज़र वहाँ तक पहुँच सके। ज़रूरी प्रकाश निर्वात पराबैंगनी में, 148.4 नैनोमीटर पर है।

लेखकों के अनुसार, इस नाभिकीय संक्रमण पर बनी घड़ी मूलभूत अन्योन्यक्रियाओं में संभावित बदलावों के प्रति विशेष रूप से संवेदनशील होगी, और डार्क मैटर की खोज में मदद कर सकती है। थोरियम को कैल्शियम फ़्लोराइड के एक पारदर्शी क्रिस्टल में जड़ने से ठोस के एक छोटे टुकड़े में अवशोषण करने वाले नाभिकों की विशाल संख्या मिल जाती है: यही ठोस-अवस्था नाभिकीय घड़ी का रास्ता है।

पहली नहीं, पर यहाँ सबसे लंबी चलने वाली

शोधपत्र इस बारे में सावधान है कि पहले क्या किया जा चुका है। उसके संदर्भों में दूसरी टीमों द्वारा बताए गए नाभिकीय प्रतिदीप्ति, प्रत्यक्ष लेज़र उत्तेजन, फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब स्पेक्ट्रोस्कोपी, सतत पराबैंगनी लेज़र, अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी और यहाँ तक कि नाभिकीय फ़ीडबैक लूप भी शामिल हैं। यह काम जो जोड़ता है, वह है किसी दिए गए क्रिस्टल पर लंबे समय तक चलने वाली एक घड़ी, और उसके मापे गए स्पेक्ट्रम तथा घड़ी द्वारा वास्तव में दी गई आवृत्ति के बीच एक सावधान संबंध।

अवशोषण ही कुंजी है। उत्तेजित नाभिकों के क्षय का इंतज़ार करने के बजाय — जो एक धीमी प्रक्रिया है — टीम मापती है कि क्रिस्टल कितना प्रकाश निगलता है। इससे एक तेज़ संकेत मिलता है जो बताता है कि लेज़र रेखा पर बैठा है या उसके बगल में।

नाभिक तक पहुँचने के लिए तीन बार दोगुना

चीन के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के पेंगफ़ेई वांग (Pengfei Wang), शू-फ़ेई यिन (Xu-Fei Yin), यू-आओ चेन (Yu-Ao Chen) और उनके सहयोगी, चीनी विज्ञान अकादमी और वियना के TU Wien के साझेदारों के साथ, 1,187 नैनोमीटर के एक अवरक्त लेज़र से शुरुआत करते हैं, जिसे एक अति-स्थिर प्रकाशीय गुहा पर स्थिर किया गया है। लगातार तीन बार आवृत्ति दोगुनी करने से यह 594, फिर 297, फिर 148.4 नैनोमीटर हो जाता है। फिर लगभग 750 पिकोवाट पराबैंगनी प्रकाश थोरियम-मिश्रित क्रिस्टल के 1.8 मिलीमीटर मोटे एक टुकड़े से गुज़रता है, जिसे X2 नाम के एक क्रिस्टल से काटा गया है। X2 के दूसरे टुकड़े वियना और JILA में मापे जा चुके हैं।

क्रिस्टल के भीतर स्थानीय विद्युत क्षेत्र नाभिकीय रेखा को कई घटकों में बाँट देता है। थोरियम के एक प्रकार के स्थल पर टीम उनमें से चार को अलग-अलग पहचानती है, साथ में दूसरे प्रकार के स्थल से एक चौड़ा अनुनाद भी। सबसे प्रबल और सबसे संकरी रेखा, जिसे b कहा गया है, केवल 83 किलोहर्ट्ज़ चौड़ी है — लगभग 20 लाख अरब हर्ट्ज़ की आवृत्ति पर।

एक रेखा पर तीस घंटे

घड़ी चलाने के लिए तंत्र रेखा b के दोनों ढलानों को जाँचता है और लगभग हर 10 सेकंड में लेज़र की आवृत्ति को हल्का-सा खिसकाता है। एक फ़्रीक्वेंसी कॉम्ब, जिसका संदर्भ एक हाइड्रोजन मेसर है और जिसे एक स्ट्रॉन्शियम परमाणु घड़ी के विरुद्ध अंशांकित किया गया है, आउटपुट मापता है।

• लूप 30 घंटे टिका रहा — 10,61,000 माप-चक्र, जिनमें से केवल 29 अस्वीकार किए गए।
• टीम ने रन तब रोका जब घड़ी अब भी लॉक थी: फ़ोटॉन दर 57.9 लाख से गिरकर 24.1 लाख प्रति सेकंड रह गई थी, जिसका कारण लेखक गैस-उत्सर्जन से पराबैंगनी पारगम्यता के बिगड़ने को मानते हैं।
• रेखा b की मापी गई आवृत्ति: 20,20,40,72,98,796.17 किलोहर्ट्ज़, 0.13 किलोहर्ट्ज़ की अनिश्चितता के साथ।
• इसकी स्थिरता औसतन-समय के साथ बेहतर होती है और 10,000 सेकंड के बाद 1.24 × 10⁻¹³ तक पहुँचती है।
• दूसरे घटक, रेखा c, पर 6.6 घंटे का दूसरा रन भी सफल रहा।

अवशोषण स्पेक्ट्रम से पढ़ी गई रेखा-स्थितियाँ और घड़ी द्वारा दी गई आवृत्तियाँ अपनी अनिश्चितताओं के भीतर मेल खाती हैं। कक्ष खोलने और प्रकाशिकी को फिर से संरेखित करने के बाद जब टीम ने घड़ी को तीन बार और शुरू किया, तो औसत आवृत्तियाँ 1.6 किलोहर्ट्ज़ के दायरे में फैली रहीं।

एक ही क्रिस्टल, तीन प्रयोगशालाएँ

तापमान के लिए सुधार करने के बाद, अपने टुकड़े की तुलना वियना और JILA में मापे गए उसी क्रिस्टल के टुकड़ों से करने पर टीम को रेखाओं का वही पैटर्न मिलता है। कुछ अंतर बने रहते हैं: रेखा b वियना के मान से 11.6 किलोहर्ट्ज़ और JILA के मान से 6.6 किलोहर्ट्ज़ ऊपर है; रेखा c दोनों से लगभग 30 किलोहर्ट्ज़ ऊपर। लेखक अभी नहीं बता सकते कि ये बचे हुए तापमान-त्रुटियों से आते हैं, लॉकिंग के पूर्वाग्रहों से, या नमूनों के बीच असली अंतरों से।

मंज़िल से अभी बहुत दूर

इन संख्याओं को संदर्भ की ज़रूरत है, और शोधपत्र वह संदर्भ देता है। संदर्भ के रूप में इस्तेमाल किए गए हाइड्रोजन मेसर और स्ट्रॉन्शियम घड़ी के बीच की तुलना ख़ुद, समान औसतन-समय पर, थोरियम घड़ी से दस गुना से भी ज़्यादा स्थिर है। अनिश्चितता के बजट स्पष्ट रूप से अधूरे हैं, और लंबे रन के पहले 14.7 घंटों में तापमान दर्ज नहीं किया गया था। इस काम का मूल्य टिकाऊपन और आपसी जाँच में है: एक नाभिकीय संक्रमण, जिसे एक दिन से ज़्यादा थामे रखा गया, और तीन प्रयोगशालाओं में उसी क्रिस्टल के टुकड़ों से जिसकी तुलना की गई।