वह रोशनी जो एक नाभिकीय घड़ी को चलाती रहती है

प्रकाशिक घड़ियाँ (optical clocks) मापन-विज्ञान और मूलभूत भौतिकी के परीक्षणों के लिए सटीक आवृत्ति-संदर्भ देती हैं। एक थोरियम-229 नाभिक कुछ और भी अजीब पेश करता है: उसके नाभिक की एक निचली उत्तेजित अवस्था है, आधार अवस्था से लगभग 8.4 इलेक्ट्रॉनवोल्ट ऊपर, जिस तक एक लेज़र पहुँच सकता है। नाभिक पर आधारित घड़ी प्रकृति के मूलभूत स्थिरांकों में संभावित बदलावों के प्रति ख़ास तौर पर संवेदनशील होगी। और अगर थोरियम को एक पारदर्शी क्रिस्टल में जड़ दिया जाए, तो यह एक ठोस-अवस्था नाभिकीय घड़ी बन सकती है।

पेच रंग का है। उस संक्रमण के लिए 148.4 नैनोमीटर की रोशनी चाहिए, निर्वात पराबैंगनी (vacuum ultraviolet) क्षेत्र में। हाल के काम ने दिखाया है कि ऐसी रोशनी नाभिक को उत्तेजित कर सकती है और नाभिकीय घड़ियाँ चला सकती है। लेकिन एक कमज़ोर अवशोषण पढ़ने के लिए स्रोत को घंटों तक फ़ोटॉनों की एक स्थिर धारा देनी होगी, और उसकी तीव्रता के बहाव को छानना होगा।

हितों का टकराव। कुछ लेखक लेज़र कंपनी Shanghai Precilasers Technology के कर्मचारी या मालिक हैं। लेखक किसी अन्य टकराव की घोषणा नहीं करते।

तरंगदैर्घ्य को तीन बार आधा करना

यह टीम, जो यूनिवर्सिटी ऑफ़ साइंस एंड टेक्नोलॉजी ऑफ़ चाइना, हेफ़ेई नेशनल लेबोरेटरी, चाइनीज़ एकेडमी ऑफ़ साइंसेज़ के संस्थानों और उस कंपनी से है, 1,187 नैनोमीटर के एक सतत इन्फ़्रारेड लेज़र से शुरुआत करती है। तीन क्रमिक आवृत्ति-दोगुनी (frequency-doubling) अवस्थाएँ इसकी तरंगदैर्घ्य को आधा करती हैं: 594, फिर 297, फिर 148.4 नैनोमीटर।

आख़िरी चरण स्ट्रॉन्शियम टेट्राबोरेट के एक क्रिस्टल में होता है, एक ऐसा पदार्थ जो निर्वात पराबैंगनी में पारदर्शी है और रोशनी को उसकी दोगुनी आवृत्ति में बदल सकता है। क्रिस्टल एक बंद डिब्बे में रखा है, जिसे ख़ाली करके 99.9999% से ज़्यादा शुद्ध नाइट्रोजन से भरा गया है, क्योंकि ऑक्सीजन इस रोशनी को निगल जाती है। यही गुण एक परीक्षण का काम भी करता है: थोड़ी ऑक्सीजन अंदर जाने दीजिए और 148.4-नैनोमीटर का संकेत ग़ायब हो जाता है, बस पृष्ठभूमि का शोर बचता है।

कुछ नैनोवाट, बहुत साफ़

297 नैनोमीटर की 920 मिलीवाट रोशनी अंदर जाने पर स्रोत 148.4 नैनोमीटर पर अनुमानित 8.1 नैनोवाट देता है।
संकेत ऑक्सीजन मिलाने के बाद बची पृष्ठभूमि से 38,000 गुना ज़्यादा तेज़ है।
यह उत्पादन एक पिछली टीम द्वारा बताए गए 1.3 नैनोवाट का लगभग छह गुना है। लेकिन लेखक ज़ोर देते हैं कि यह कहीं ज़्यादा पंप शक्ति से हासिल हुआ; प्रति वाट वर्ग के हिसाब से दोनों रूपांतरण तुलनीय हैं, इसलिए यह नहीं दिखता कि क्रिस्टल ज़्यादा कुशल है।

एक ही खंड से काटे गए क्रिस्टलों ने एक जैसा बर्ताव नहीं किया। एक लगभग 30 °C पर सबसे अच्छा काम करता था, दूसरा लगभग 45 और 48 °C पर, इस पर निर्भर कि किरण कहाँ पड़ती है। हर टुकड़े को अपनी अलग ट्यूनिंग चाहिए।

तैंतीस घंटे, और बहाव के ख़िलाफ़ एक तरकीब

स्रोत 33.3 घंटे तक चला, जबकि टीम ने एक साथी शोधपत्र में वर्णित नाभिकीय अवशोषण माप किए। पंप के स्थिर रहते हुए इसका उत्पादन धीरे-धीरे लगभग 50 लाख से 80 लाख गिनती प्रति सेकंड तक बढ़ा; इस बहाव का कारण अब भी अनसुलझा है।

ऐसे बहावों को मात देने के लिए टीम ने संकेत के हर मिलीसेकंड की तुलना ठीक पहले और ठीक बाद के मिलीसेकंडों से की। तीन घंटे के एक अलग रन में इस स्थानीय संदर्भ (local referencing) ने शोर को लगभग उतना ही घटने दिया जितना फ़ोटॉन सांख्यिकी अनुमति देती है, और 1,000 सेकंड के बाद 3.5 × 10⁻⁵ की आंशिक स्थिरता हासिल हुई। लेखक इसे औसत निकालने का एक ऑफ़लाइन परीक्षण बताते हैं, अभी अवशोषण की मापी गई पहचान-सीमा नहीं।

ज़्यादा चमकीले स्रोतों की ओर

एक पतले क्रिस्टल के चारों ओर दर्पणों की एक गुहा (cavity), काग़ज़ पर, उत्पादन को लगभग 3.4 माइक्रोवाट तक बढ़ा सकती है — यह एक अनुमान है जो कम नुक़सान और स्थिर संचालन मानकर चलता है। क्रिस्टल में अपमिश्रण (doping) करना या उसकी आंतरिक संरचना को नियंत्रित करना दूसरे रास्ते हैं। फ़िलहाल यह नतीजा थोरियम नाभिक के कमज़ोर अवशोषण को सुनने के लिए एक व्यावहारिक, लंबे समय तक चलने वाला स्रोत है।